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TRATAMENTOS SUPERFICIAIS

Dentes de engrenagem temperadas por indução

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TRATAMENTOS SUPERFICIAIS

OBJETIVO

Endurecimento superficial do aço

visando

aumentar a resistência ao desgaste e à abrasão da superfície

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METODOS DE ENDURECIMENTO SUPERFICIAL

Encruamento mecânico da superfície A dureza e a resistência dependem da intensidade do

encruamento Tratamento químico da superfície

(cromagem eletrolítica dura, siliconização) Tratamentos termoquímicos da superfície

(cementação, Nitretação, Cianetação,...) Revestimento de ferramentas

Têmpera superfícial

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1- TÊMPERA SUPERFICIAL

A têmpera é realizada somente na superfície

A superfície adquire propriedades e

características da estrutura martensítica

** A casca endurecida pode ter até 10 mm, dependendo do processo.

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VANTAGENS DA TÊMPERA SUPERFICIAL

Aplica-se à peças de grandes dimensões (engrenagens de 2-3 m)

Permite o endurecimento em áreas localizadas Pode ser usado quando a geometria da peça ocasionar

grandes deformações Permite obter a combinação de altas resistências ao

desgaste e dureza na superfície, com ductilidade e tenacidade no núcleo da peça

Não exige fornos de aquecimento É rápida (pode ser aplicada na oficina) Não produz grandes oxidações e descarbonetações no aço.

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PROCESSOS USUAIS DE TÊMPERA SUPERFICIAL

Por Chama Por indução Por laser Por feixe eletrônico

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1.1- TÊMPERA POR CHAMA

A superfície é aquecida, acima da temperatura crítica (850-950 C) por meio

de uma chama de oxi-acetilenica.

resfriamento é feito por meio de um jato de água

Depois faz-se um revenido para o alívio de

tensões

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Equipamentos Pode ser feita manualmente ou com dispositivos especiais, com controle ótico de temperatura

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TÊMPERA SUPERFICIALUso da chama para tratamento de engrenagem

A profundidade de endurecimento pode ser aumentada pelo prolongamento do tempo de aquecimento. Podem ser atingidas profundidades de até 6,3 mm. O processo é uma alternativa de tratamento para peças muito grandes, que não caibam em fornos

Fonte:www.cimm.com.br

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A profundidade da camada temperada é controlada pela:

Intensidade da chama aplicada distância da chama aplicada tempo de duração da chama

aplicada

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para método progressivo giratório

Consumo de Oxigênio :Co= 0.7 (p)1/2 [l/cm2]

p= profundidade endurecida em mm Consumo de acetileno:

Ca= 0.45 p1/2 [l/cm2] Tempo de aquecimento

7 . p2 [s] Velocidade de movimento da torcha

72/ .p2 [cm/minuto]

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1.2- TÊMPERA POR INDUÇÃO

O calor é gerado na peça por indução eletromagnética, utilizando-se bobinas de indução, nas quais flui uma corrente elétrica de alta freqüência.

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TÊMPERA POR INDUÇÃOVantagens:

Pode-se determinar com precisão a profundidade da camada temperada.

O aquecimento é rápido As bobinas podem ser facilmente confeccionadas e adaptadas

à forma da peça Não produz o superaquecimento da peça permitindo a

obtenção de uma estrutura martensítica acidular fina Geralmente, possibilita um maior aumento da dureza e da

resistência ao desgaste A resistência a fadiga é também superior Não tem problema de descarbonetação.

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TÊMPERA POR INDUÇÃO

A quantidade de calor gerada é dada pela lei de Joule:

Q= 0,239.i2 . R. t

i é a corrente em amperes R a resistência do condutor em ohms t o tempo que circula a corrente em segundos

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A profundidade da camada temperada é controlada pela:

Forma da bobina Distância entre a bobina e a peça Freqüência elétrica (500-2.000.000 ciclos/s)

Tempo de aquecimento

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BOBINAS PARA TÊMPERA POR INDUÇÃO

Fonte:V. Chiaverini: Aços e Ferros Fundidos

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Na têmpera por indução, a peça é colocada no interior de uma bobina submetida à passagem de corrente alternada. O campo energiza a peça, provocando seu aquecimento. Dependendo da freqüência e da corrente, a taxa e a profundidade de aquecimento podem ser controladas. Devido a estas características, o processo é indicado para tratamento térmico de superfície. Os detalhes de tratamento são similares ao endurecimento por chama.

Fonte:www.cimm.com.br

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A profundidade da camada temperada é dada por:

p= 5030 . (/.f)1/2

p é a profundidade da camada em cm a resistividade do material em ohm.cm a permeabilidade magnética do

material em Gauss/Oersted f a freqüência da corrente em Hz

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TÊMPERA POR LASER

APLICAÇÃO

Usado na têmpera de peças de geometria variadas

OBSERVAÇÃO

As peças são cobertas com fosfato de zinco ou magnésio para aumentar a absortividade

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Fonte:www.cimm.com.br

O processo é muito preciso em impor aquecimento seletivo sobre áreas bem específicas.

Além disto o processo pode ser feito em alta velocidade, produzindo pouca distorção.

Uso do laser em peça cilíndrica (esq.) e aplicação localizada (dir.)

TÊMPERA POR LASERTÊMPERA POR LASER

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TÊMPERA POR LASER

VARIÁVEIS QUE CONTROLAM A PROFUNDIDADE DA CAMADA

Diâmetro do raio Intensidade Velocidade de varredura (100 polegadas/min.)

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TÊMPERA POR LASER

VANTAGENS

O processo opera a altas velocidades A distorção provocada é pequena Pode ser usado para áreas selecionadas Softwares e automação podem ser usados

para controlar os parâmetros

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TÊMPERA POR FEIXE ELETRÔNICO A fonte de calor é um feixe de elétrons de

alta energia É fácil de automatizar O equipamento é caro Opera em alto vácuo

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O endurecimento por feixe de elétrons é similar ao endurecimento por laser. A fonte de energia é um feixe de elétrons de alta energia. O feixe é manipulado com o uso de espiras eletromagnéticas. O processo pode ser automatizado, mas deve ser conduzido sob condições de vácuo, visto que os feixes de elétrons dissipam-se facillmente no ar. Como no caso do laser, a superfície pode ser endurecida com muita precisão, tanto na profundidade como na posição.

Uso do feixe mostrando equipamento ( esq.) e detalhe peça e fonte (dir.) Fonte:www.cimm.com.br

TÊMPERA POR FEIXE ELETRÔNICOTÊMPERA POR FEIXE ELETRÔNICO

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2- TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS DA SUPERFÍCIE

O endurecimento superficial é causado pela modificação parcial da composição química

é alcançada através:

Aplicação de calor e de um meio químico

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2- TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS DA SUPERFÍCIE

CEMENTAÇÃO NITRETAÇÃO CIANETAÇÃO CARBO-NITRETAÇÃO BORETAÇÃO

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2.1- CEMENTAÇÃO É o mais empregado e o mais antigo

Consiste na introdução de átomos de carbono na superfície da peça (acima

da temperatura crítica -850-950 C- para haver absorção)

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2.1- CEMENTAÇÃOConsiderações Gerais

A cementação em si não endurece o aço, apenas favorece o endurecimento

O processo deve ser seguido de têmpera e revenido para atingir máxima dureza e alta resistência ao desgaste.

É aplicável a aços de baixo carbonoO conteúdo de carbono na superfície fica acima do eutetóide

(0,8-1,0 %)

O teor de Carbono decresce a medida que se penetra

em profundidade na peça (é importante que esse decréscimo seja gradual).

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A profundidade da cementação depende:

Do tempo Da Temperatura Da concentração de Carbono inicial no aço

(Quanto menor o teor de carbono mais fácil a carbonetação)

Natureza do gás de carbonetação ou do agente carbonetante

Velocidade do fluxo do gás (se for o caso)

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A cementação pode ser realizada por quatro processos:

Por via gasosa Por via líquida Por via sólida Por plasma

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A- CEMENTAÇÃO SÓLIDA OU EM CAIXA

Neste processo, as peças de aço são colocadas em caixas metálicas (aço-liga resistente ao calor), ficando separadas umas das outras pelo carborizante.

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AGENTES SÓLIDOS CARBONETANTES Ex: carvão vegetal, mais ativadores

(Carbonato de Bário, ou Sódio, ou Potássio) e óleo de linhaça (5-10%) ou óleo comum como aglomerante.

Também, pode-se adicionar 20% de coque para aumentar a velocidade de transferência de calor.

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CEMENTAÇÃO SÓLIDA OU EM CAIXACONSIDERAÇÕES GERAIS

A CEMENTAÇÃO SÓLIDA É MUITO RUDIMENTAR E A CAMADA CEMENTADA É MUITO IRREGULAR. Portanto, não é recomendada para a obtenção de camadas muito finas.

A cementação sólida é realizada a temperaturas entre 850-950 C

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MECANISMO DA CEMENTAÇÃO SÓLIDA

1) C + O2 CO2 (850-950 C) O Carbono combina com o oxigênio do ar

2) CO2 + C 2CO O CO2 reage com o carvão incandecente

3) 3Fe + 2CO Fe3C + CO2

4) O CO2 reage com o carvão incandecente e assim vai

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ATIVADORES

A presença do ativador contribui para aumentar a velocidade de formação do CO

n 1) BaCO3 BaO + CO2

n 2) CO2 + C 2 COn 2) 3Fe + 2CO Fe3C + CO2

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B- CEMENTAÇÃO LÍQUIDA

O meio carborizante é composto de sais fundidosNaCN, Ba(CN)2, KCN, ... Como ativador: BaCl2, MnO2,

NaF e outros. Também faz parte do banho a grafita de baixo teor de Silício para a cobertura do banho

A cementação líquida é realizada a temperaturas entre 840-950 C

A profundidade da camada cementada é controlada pela composição do banho

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B- CEMENTAÇÃO LÍQUIDAVantagens do processo:

Melhora o controle da camada cementada a camada cementada é mais homogênea facilita a operação aumenta a velocidade do processo possibilita operações contínuas em produção

seriada Dá proteção quanto à oxidação e

descarbonetação

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B- CEMENTAÇÃO LÍQUIDACuidados:

não deixar faltar cobertura de grafite no banho a exaustão dos fornos deve ser permanente,

pois os gases desprendidos são tóxicos, os sais são venenosos e em contato com áciods desprendem ácido cianídrico

as peças devem ser introduzidas no banho secas e limpas.

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C- CEMENTAÇÃO GASOSA

O meio carborizante é composto de uma mistura de GASES:

[CO2, H2, N2 (diluidor), (metano) CH4, (etano)C2H6, (propano)C3H8,..]

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C- CEMENTAÇÃO GASOSAVantagens do processo:

a mistura carborizante permanece estável durante toda a cementação possibilita um melhor controle do teor de carbono e

consequentemente da camada cementada facilita a cementação de peças delicadas evita a oxidação permite a têmpera direta após a cementação (sem contato com o ar e

sem reaquecimento) o processo é limpo (não precisa de limpeza posterior) a penetração do Carbono é rápida as deformações por tensões são menores

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C- CEMENTAÇÃO GASOSADesvantagens do processo:

A temperatura e a mistura caborizante necessitam rígido controle durante o processo

as intalações são complexas e dispendiosas

as reações são complexas.

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D- CEMENTAÇÃO POR PLASMA

O plasma é criado por ionização do gás (metano) a baixa pressão. O carbono iônico é transferido para a superfície da peça.

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D- CEMENTAÇÃO POR PLASMAVantagens do processo:

Tempos de processo menores (~30 % do à gás)

A peça não sofre oxidação, já que o processo é feito sob vácuo

Fácil automatização Produz peças de alta qualidade.

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TRATAMENTOs TÉRMICOS UTILIZADOS APÓS A CEMENTAÇÃO

O TT para endurecimento deve levar em conta:o aço e as especificações da peça.

Não esquecer que a peça tem duas composições distintas: um núcleo com baixo teor de Carbono (<0,8) e uma superfície com teor de carbono acima do eutetóide (>0,8).

Portanto, tem 2 temperaturas críticas: A1 (camada

cementada) e A3 (núcleo da peça).

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A- TÊMPERA DIRETA SIMPLES

A PEÇA É TEMPERADA AO AR, DIRETAMENTE APARTIR DA TEMPERATURA DE CEMENTAÇÃO (850-950C).

Observações:

pode reter austenita na camada cementada facilitando a fragilização da peça e comprometendo a dureza

o núcleo fica com têmpera total (DURO) aplica-se à aços de granulação fina e em peças

de pouca responsabilidade ao esforço

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B- TÊMPERA DIRETA DUPLA

É uma segunda têmpera, realizada depois da direta. Parte de uma temperatura logo acima da linha A1.

Finalidade: - reduz a retenção da austenita e diminui a

dureza do núcleo - elimina a fragilização da peça - produz granulação + fina

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C-D-E- TÊMPERA INDIRETA SIMPLES Consiste no resfriamento da peça ao ar calmo. A seguir a peça

é aquecida e resfriada apartir de um patamar pré-estabelecido.“C” - a peça é aquecida acima da linha A1 (camada cementada).** O núcleo continua com granulação grosseira e com mínima

dureza. Aplica-se à aços de granulação fina.“D” - A peça é aquecida entre as linhas A1 e A3 (do núcleo).** Confere uma têmpera e um refino no núcleo, tornando-o mais

tenaz e resistente.“E” - A peça é aquecida acima das linhas A3 (do núcleo) e Acm

da superfície** A têmpera e refino do grão no núcleo são totais.

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F - TÊMPERA INDIRETA DUPLA Consiste no resfriamento da peça ao ar

calmo. A seguir a peça é reaquecida acima da linhas A3 e Acm e retemperadas.

É indicado para aços de granulação grosseira. A camada superficial fica dura e o núcleo mole. Há um refino do grão e diminui a austenita residual.

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LEIS DE FICK PARA DIFUSÃO

A SEGUNDA LEI DE FICK PARA DIFUSÃO PODE SER APLICADA PARA TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS

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SEGUNDA LEI DE FICK (dependente do tempo e unidimensional)

C= - D 2C t x2

Suposições (condições de contorno)Suposições (condições de contorno) Antes da difusão todos os átomos do soluto estão uniformemente

distribuídos O coeficiente de difusão permanece constante (não muda com a

concentração) O valor de x na superfície é zero e aumenta a medida que avança-se

em profundidade no sólido t=o imediatamente antes da difusão

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SEGUNDA LEI DE FICKuma possível solução para difusão planar

Cx-Co= 1 - f err x Cs-Co 2 (D.t)1/2

f err x 2 (Dt)1/2

Cs= Concentração dos átomos se difundindo na superfícieCo= Concentração inicialCx= Concentração numa distância xD= Coeficiente de difusãot= tempo

É a função de erro gaussiana

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DIFUSÃO

Fonte: Prof. Sidnei Paciornik do Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia da PUC-Rio

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2.2- NITRETAÇÃO

O endurecimento superficial é obtido pela ação do Nitrogênio (difusão).

Temperatura de nitretação: 500-600C

As peças são resfriadas ao ar ou em salmora

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O processo de nitretação permite: Obter alta dureza superficial Obter elevada resistência ao desgaste Melhorar a resistência à fadiga, à corrosão e ao

calor Propicia um menor empenamento das peças, já

que é realizado a temperaturas mais baixas Não necessita de tratamento térmico posterior

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CONSIDERAÇÕES GERAIS

O tratamento térmico (como têmpera e revenido) se desejado deve ser

realizado antes da nitretação A nitretação promove um aumento nas

dimensões da peça. Depois da nitretação só é possível

retificar. Não é possível usinar porque a superfície é muito dura.

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Processos de Nitretação

� a gás� líquida ou em banho de sal� Por Plasma

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A- NITRETAÇÃO À GÁS

Este processo é usado especialmente para aços ligados (Cr, Al, Mo,...).

Tempo de processo: é longo (48-72 horas ou mais)

O tratamento é realizado em fluxo de Amônia (NH3).

A camada nitretada atinge 0,8 mm e dureza de 1000-1100 vickers.

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MECANISMO DA NITRETAÇÃO À GÁS

2NH3 2N + 3H2

O Nitrogênio produzido combina-se com a ferrita formando nitretato de ferro ou forma nitretos complexos, de alta dureza, com os elementos de liga do aço.

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B- NITRETAÇÃO LÍQUIDA O MEIO NITRETANTE É UMA MISTURA

DE SAIS: NaCN, Na2CO3, KCN, KCNO, KCl.

Tempo de nitretação: no máximo 2 horas Temperatura de nitretação: 500-580 C A camada nitretada é menos espessa que

na nitretação à gás

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B- NITRETAÇÃO LÍQUIDAExemplo de banhos:

Banho simples: NaCN, KCN.

A nitretação líquida é usada também em aços baixo Carbono (em peças de menor solicitação)

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B- NITRETAÇÃO LÍQUIDAExemplo de banhos:

- Banho Tenifer- Tufftride: KCN, KCNO fundido em um cadinho de titânio + aeração para promover a oxidação do KCN, produzindo C + N.

Forma uma estrutura de carbonetos e nitretos na superfície (8-16 mícrons) + zona de difusão do Nitrogênio (370-450 mícrons).

A zona de difusão contribui para um aumento da resistência à fadiga.

Este processo pode ser usado para aço comum, baixo carbono, aços-liga.

É bastante usado na indústria automobilística e de ferramentas: engrenagens, pinos, eixos, brocas, fresas, matrizes, etc.

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C- NITRETAÇÃO POR PLASMA PROCEDIMENTO

A peça é colocada num forno com vácuo Aplica-se um potencial entre as paredes do forno e a peça

(500-1000 Volts) Gás Nitrogênio é introduzido na câmara e é ionizado Os íons são acelerados em direção a peça (pólo negativo) O impacto dos íons gera calor suficiente para promover a

difusão O forno atua como eletrodo e como câmara de vácuo e não

como fonte de calor.

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C- NITRETAÇÃO POR PLASMA VANTAGENS

O processo é rápido Baixo consumo de gases Baixo custo de energia Fácil automatização Necessita de pouco espaço físico É aplicável a vários materiais Produz peças de alta qualidade

Nitretação à plasma - LAMEF - UFRGS

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2.3- CIANETAÇÃO

Há um enriquecimento superficial de carbono e Nitrogênio.

T= 650-850 C Espessura: 0,1-0,3 mm É aplicado em aços-carbono com baixo teor

de Carbono O resfriamento é feito em água ou salmora

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2.3- CIANETAÇÃO O processo é executado em banho de

sal fundido (cianeto) Semelhante a cementação líquida

2NaCN + O2 2NaCNO

4NaCNO Na2CO3 + 2NaCN + CO +2N

2CO CO2 +C

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2.3- CIANETAÇÃO Vantagens em relação a cementação:

Maior rapidez Maior resistência ao desgaste e a corrosão Menor temperatura de processo

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2.4- CARBO-NITRETAÇÃOÉ SEMELHANTE À CEMENTAÇÃO À GÁS O processo ocorre em meio gasoso Espessura: 0,7 mm Neste processo introduz-se Amônia

(30%) + gás carbonizante na atmosfera do forno

T= 700-900 C

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2.4- CARBO-NITRETAÇÃO

Deve-se posteriormente temperar as peças em óleo e revenir

Tempo de 1 hora 0,1 mm de camada endurecida

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2.4- CARBO-NITRETAÇÃO Vantagem em relação à tempera: O material apresenta uma melhor temperabilidade

devido ao aumento do teor de Carbono Processo mais rápido Temperatura mais baixa Menor crescimento de grão Maior resist. ao desgaste Menor distorção

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2.5- BORETAÇÃO Consiste na introdução de Boro por difusão Ocorre em meio sólido Temperatura: 900°C

B4C + ATIVADOR

BORETO DE FERRO que é um composto duro

(DUREZA VICKERS: 1700-2000)

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2.5- BORETAÇÃOCONSIDERAÇÕES

Temperatura de boretação = 900 C

Para um aço 0,45 % de Carbono

um tempo de processo de 4 horas origina uma camada endurecida de 100 mícrons.

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DEVE SER SEGUIDA DE REVENIDO

TEMPERA COMUM

USADA EM GERAL PARA AÇOS BAIXO TEOR DE CARBONO,

LIGADOS OU NÃO

EM GERAL, PROMOVE DISTORÇÕES

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Ele

ani M

aria

da

Cos

ta -

DE

M/P

UC

RS

DEVE SER SEGUIDA DE REVENIDO

TEMPERA SUPERFICIAL

USADA EM GERAL PARA AÇOS BAIXO TEOR DE CARBONO,

LIGADOS OU NÃO