CEMENTAÇÃO

ÇÃO
CEMENTAÇÃO

ÇÃO

2009/2010

Alunos:
Hugo Miguel Varão Afonso Lopes (em06036)

Índice
Introdução………………………………………………………………………………………………………….…Pág.3
Objectivos………………………………………………………………………………………………………….….Pág.4
A Cementação…………………………………………………………………………………………………….…Pág.5
Camada Cementada……………………………………………………………………………………………..Pág.6
Características mecânicas da camada cementada…………………………………………….….Pág.7
Determinação da espessura da camada cementada………………………………………….….Pág.8
Diferentes classes de tratamentos que se podem dar às peças cementadas…….…..Pág.9
Características de aços para Cementação……………………………………………………………Pág.12

Influência dos elementos de liga…………………………………………………………………………Pág.13

Estudo do material fornecido………………………………………………………………………………Pág.14

Tratamento metalográfico…………………………………………………………………………………..Pág.19

Previsão dos resultados……………………………………………………………………………………….Pág.21

Definição do tratamento térmico………………………………………………………………………..Pág.23

Tratamento térmico 1………………………………………………………………………………………….Pág.24

Resultados do tratamento térmico 1……………………………………………………………………Pág25

Tratamento térmico 2………………………………………………………………………………………….Pág.28

Resultados do tratamento térmico 2……………………………………………………………………Pág.29

Discussão dos resultados…………………………………………………………………………………….Pág.31

Conclusão……………………………………………………………………………………………………………Pág.33

Bibliografia………………………………………………………………………………………………………….Pág.34

Introdução
Os tratamentos e revestimentos superficiais dos materiais têm sofrido um longo desenvolvimento sendo a sua aplicação cada vez mais importante. Estes tratamentos têm como objectivo melhorar algumas das características mecânicas dos materiais em que são aplicados, características tais como: a resistência à corrosão, resistência ao desgaste e resistência à fadiga.
Existem variados tipos de tratamento que podem ir desde um simples revestimento superficial, até a alguns mais complexos que alteram tanto a composição como a microestrutura.
Um desses tratamentos superficiais é a cementação, o qual vai ser alvo de estudo deste trabalho.

Objectivos

Objectivamente este trabalho irá incidir sobre a cementação. O seu estudo aprofundado irá permitir conhecer melhor as características do material tendo em vista a sua aplicação, bem como as vantagens e desvantagens do seu uso. Através de tratamentos previamente realizados iremos proceder à análise dos resultados obtidos, comparando-os com dados catalogados.

A Cementação

A cementação pode ser definida como sendo um processo termoquímico que consiste na carbonização (adição de carbono) da camada superficial da peça. Para tal é envolvida num cemento, sendo posteriormente aquecida durante um determinado período de tempo e a uma determinada temperatura. Durante esse aquecimento, o carbono é difundido para o interior da peça, aumentando assim, o teor em carbono da camada superficial.
Como já foi referido, este processo ocorre num intervalo de tempo, e, para uma dada temperatura, um maior período de tempo resulta numa maior espessura da camada cementada. Por outro lado, quanto maior for a temperatura a que ocorre o estágio menor será o tempo que a peça terá de permanecer no forno para atingir uma determinada espessura.
Após todo este processo, a peça é arrefecida a partir da temperatura de cementação, ficando a camada cementada com uma dureza elevada, enquanto que o núcleo não sofre alterações quanto à sua composição, conservando a sua tenacidade e dureza.
Convém referir que o teor em carbono diminui progressivamente da periferia para o interior da camada, fala-se por isso, na profundidade ou espessura de cementação.
Esta espessura pode ser definida como a distância entre a superfície e o ponto em que o teor de carbono atinge o mínimo de 0,4%.
Actualmente são vários os processos de cementação usados na indústria, entre os quais, a cementação em meio liquido sólido ou gasoso.
A cementação pode ser resumida como um aumento da quantidade de carbono na superfície da peça, gerando uma elevada dureza superficial, mantendo as características no núcleo inalteráveis, melhorando assim, a resistência ao desgaste.

Carbono
Carbono

Fig.1-Representação esquemática da cementação
Camada Cementada
Dá-se o nome de camada cementada à zona da peça que, após o tratamento de cementação, possui uma percentagem de carbono superior à que o material possuía previamente. De notar que este tratamento pode, em último caso, conferir valores de dureza na superfície na ordem de grandeza dos 700HV.
Após o tratamento de cementação estar concluído procede-se à medição da dureza da camada cementada, e aí reside a maior dificuldade, isto porque não é fácil determinar com exactidão a espessura de camada cementada, mas também porque o ensaio de dureza pode ser realizado em diferentes máquinas e com diferentes, daí que os valores de dureza que são medidos não sejam totalmente consensuais.
A espessura da camada cementada pode ser separada em três tipos, de acordo com a sua espessura ou profundidade de cementação. Assim, temos: - Para espessuras inferiores a 0,50mm, as chamadas camadas finas. Como se compreende, estas espessuras apenas devem ser utilizadas em pequenas peças de aço ao carbono, que geralmente são endurecidas com sais e a sua têmpera é realizada directamente desde a temperatura de cementação. Para estas peças é de evitar a rectificação. - Para espessuras compreendidas entre 0,50mm e 1,50mm, temos as denominadas camadas médias, as quais podem ser obtidas através do uso de cementos sólidos, líquidos ou gasosos e em aços ao carbono de pouca liga ou de alta liga. Normalmente, são estas as espessuras mais utilizadas na indústria de produção de máquinas e motores. - Para espessuras que sejam superiores a 1,50mm temos as camadas grossas, cuja cementação é realizada a partir de cementos sólidos ou gasosos.
De notar que, independentemente do processo de cementação utilizado, deve-se sempre evitar que a percentagem de carbono ultrapasse 1%, e à superfície da peça não deve mesmo exceder os 0,90% de carbono, isto para garantir que a dureza rondará os 65 HRC. Se estes 0,90% forem excedidos, pode-se dar o caso de surgirem redes de cementite na malha, o que irá tornar a camada cementada frágil e o tratamento perde o seu sentido. Nos casos em que esta situação surgir, exceder os 0,90% de carbono, a peça deverá sofrer um recozido de difusão para diminuir a percentagem de carbono superficial, recozido esse que deverá ser realizado a temperaturas entre os 800oC e os 900oC.

Características mecânicas da camada cementada A cementação quase que nos permite afirmar que, após tratamento, temos na mesma peça dois aços completamente distintos, isto porque a superfície da peça e o núcleo irão apresentar diferentes características mecânicas.
No que à superfície da peça cementada diz respeito, e ao nível da dureza, quando se realiza a cementação, é de esperar uma dureza superior a 60HRC. Quando as peças são de pequena dimensão, estes valores de dureza são perfeitamente atingíveis, tanto em aços ao carbono como em aços ligados, sendo que a têmpera dos últimos deverá ser realizada em óleo para evitar deformações ou empenos. De notar que estes aços, aços ligados, especialmente aqueles que contêm crómio e molibdénio, possibilitam obter valores de dureza ainda maiores, isto deve-se ao facto de estes dois elementos químicos formarem carbonetos à superfície, logo proporcionarão valores de dureza superiores e uma maior resistência ao desgaste. É também importante ter em atenção o aquecimento, isto porque ao realizar a têmpera, durante o aquecimento, pode-se dar uma descarbonização na camada cementada, o que provocará uma imediata diminuição da dureza na superfície da peça.

Determinação da espessura da camada cementada

A espessura da camada cementada mais conveniente, varia muito e depende das dimensões, forma e aplicações da peça. Pode ir das três décimas de milímetro até vários centímetros. Na maioria das peças usadas na indústria automóvel, de construção de máquinas, e até na industria da aviação as espessuras usadas variam normalmente entre os 0,5 e os 1,5 mm. A espessura da camada cementada tem como base peças de fabricações anteriores, uma vez que não existe nenhuma relação linear para a determinação da mesma. O que caracteriza uma camada cementada é o seu perfil de microdureza, o qual é medido HV. Esta microdureza é medida através da realização de um ensaio que consiste em aplicar um penetrador em forma de pirâmide recta (base quadrangular), sob uma carga (F) durante um determinado intervalo de tempo, em diferentes sítios da peça, desde a superfície até ao núcleo. Após esse intervalo de tempo, a carga é retirada, medindo-se as diagonais deixadas pelo penetrador sobre a superfície através da observação ao microscópio. A dureza, HV, é proporcional à relação F/S, sendo S a superfície deixada pelo penetrador. Por convenção, quando a dureza verificada é menor que 550 HV, a distância desde a superfície até esse ponto corresponde à profundidade da camada cementada.

Diferentes classes de tratamentos que se podem dar às peças cementadas Segundo a classe do aço e do destino das peças que se vão cementar pode-se utilizar muitas classes de tratamentos. Em cada caso, a escolha de um ou de outro tratamento, dependerá do seu tamanho de grão ou da tendência do aço a adquirir, na sua estrutura, um tamanho de grão elevado durante a cementação, e as características que quisermos obter no núcleo ou na periferia da peça em causa.

* Cementação, têmpera directa desde a temperatura de cementação

As peças são temperadas imediatamente após cementação à temperatura à qual foram levadas por esta operação. Este método é aplicado de preferência após cementação em meios líquidos ou gasosos. O arrefecimento pode ser efectuado em água ou em óleo. Poder-se-á, eventualmente, antes do arrefecimento brusco de têmpera, baixar a temperatura da peça a partir da temperatura de cementação até uma temperatura tal que não se processe qualquer transformação durante este pré-arrefecimento, portanto até uma temperatura superior à temperatura de transformação. Então, proceder-se-á ao arrefecimento da têmpera. Tal processo provocará menores variações dimensionais, aliás, este é o processo em que se verifica as menores variações dimensionais. Assim este processo deverá ser aplicado sempre que possível, mas com a salvaguarda que deverá utilizar em aços com teores baixos em crómio, assim como, dada a tendência para o aumento do tamanho de grão da austenite por causa da temperatura de cementação ser uma temperatura de têmpera elevada, deve-se utilizar aços de grau fino.

Fig 2 – Têmpera directa a partir da temperatura de cementação * Cementação, arrefecimento lento, têmpera à temperatura intermédia entre Ac1 e Ac3

Este tratamento pode ser usado quando se utilizam aços de alta liga, que são geralmente de grão fino e não necessitam de regeneração do núcleo. Assim, obtém-se a máxima tenacidade do núcleo, na qual a resistência será inferior a máxima resistência que se obtém temperando a temperaturas mais altas.
Utilizando-se este tratamento em aços de grão grosso, a periferia ficará com boas características, no entanto o núcleo ficará bastante frágil por não ter sido regenerado. Com este tratamento existe o perigo de deformações na peça.

Fig. 3 – Têmpera directa a partir de temperatura de cementação seguida de uma têmpera a uma temperatura intermédia entre Ac1 e Ac3

* Cementação, arrefecimento lento, tempera à temperatura ligeiramente superior a Ac3

Com este tratamento obtém-se a máxima resistência no núcleo. A tenacidade do núcleo será boa apesar de se verificar um crescimento de grão durante a cementação, uma vez que o aço é aquecido na têmpera a uma temperatura ligeiramente superior a Ac3. Neste tratamento, há o perigo de que a superfície fique frágil devido ao crescimento de grão provocado pelas altas temperaturas usadas. A dureza da camada cementada pode ser afectada por alguma austenite residual que não foi transformada.
Este é o tratamento que se deve usar em aços de média liga e grão fino, sempre que se pretende obter a máxima dureza no núcleo, como é o caso, por exemplo, de algumas peças usadas na indústria aeronáutica ou automóvel.
Fig.4 – Têmpera dupla a) com regeneração do tamanho de grão do núcleo; b) sem regeneração dotamanho de grão do núcleo

* Cementação, arrefecimento lento, primeira têmpera à temperatura ligeiramente superior a Ac3 seguida de uma segunda têmpera à temperatura ligeiramente superior a Ac1

Convém usar este tratamento em aços ao carbono e de média liga e de um modo geral, todos os aços de grão grosso e naqueles em que, durante a cementação, se verifica um crescimento de grão. A sua utilização pode garantir uma superfície dura e tenaz, enquanto o núcleo ficará com uma resistência ligeiramente inferior à da máxima e muito boa tenacidade.
Este tratamento é usado por muitas vezes em trabalhos para aços de alta liga em peças de grande responsabilidade, quando as previsões apontam para que haja um crescimento de grão do aço durante a cementação e se quer assegurar, no núcleo, a máxima tenacidade.

Fig. 5– Têmpera dupla com regeneração do tamanho de grão do núcleo

* Austêmpera e Martêmpera

Quando se quer reduzir ao mínimo as deformações das peças cementadas, a têmpera é feita a temperaturas ligeiramente superiores a Ms, utilizando-se, em vez de água ou óleo, banhos de sais de modo a garantir a uniformização da temperatura em toda a peça.

Características de aços para Cementação

Os aços de cementação são materiais que vão estar sujeitos a várias solicitações dependendo da sua aplicação. Para tal exige-se destes aços, grande resistência ao desgaste na superfície e uma grande tenacidade no núcleo.
Conforme a aplicação que pretendemos dar ao material, há que ter em conta as características mecânicas que os vários tipos de aços podem ter.
No esquema seguinte, apresentam-se os vários tipos de aço em que podemos aplicar o tratamento de cementação.

Aços de cementação
Aços de cementação

Aços de baixa liga
Aços de baixa liga
Aços ao Carbono
Aços ao Carbono
Aços de alta liga
Aços de alta liga

-Teor em Carbono sempre inferior a 0.2%
-Temperabilidade muito elevada
Resistência mecânica entre 90 e 150 Kg/mm2
-Tempera em óleo
-Necessita de tratamento especial após tempera (eliminar austenite residual)

-Teor em Carbono sempre inferior a 0.2%
-Temperabilidade muito elevada
Resistência mecânica entre 90 e 150 Kg/mm2
-Tempera em óleo
-Necessita de tratamento especial após tempera (eliminar austenite residual)

-Arrefecimento (tempera) em água
-Percentagem de Carbono varia entre 0.10% e 0.25%
-Resistência mecânica inferior a 80Kg/mm2
-Dureza de cerca de 60HRC
-Velocidade critica superior de tempera muito elevada
-Arrefecimento (tempera) em água
-Percentagem de Carbono varia entre 0.10% e 0.25%
-Resistência mecânica inferior a 80Kg/mm2
-Dureza de cerca de 60HRC
-Velocidade critica superior de tempera muito elevada
-Elementos de liga inferior a 3%
-Teor em Carbono varia entre 0.10 % e 0.25%
-Tempera em água ou óleo dependendo da maior ou menor percentagem de elementos de liga
-Resistência mecânica 130Kg/mm2
-Dureza não superior a 60HRC
-Elementos de liga inferior a 3%
-Teor em Carbono varia entre 0.10 % e 0.25%
-Tempera em água ou óleo dependendo da maior ou menor percentagem de elementos de liga
-Resistência mecânica 130Kg/mm2
-Dureza não superior a 60HRC

Fig.6- Esquema relativo aos aços de cementação

Influência dos elementos de liga

Os elementos de liga têm um papel fundamental nas características dos aços para cementação. Existem quatro elementos de liga que influenciam fortemente todo o processo de cementação, entre os quais: Silício (Si), Crómio (Cr), Manganês (Mn), Níquel (Ni).
De todas as características que tendem a ser modificadas, as que sofrem maiores alterações dignas de destaque são a temperabilidade e os pontos críticos. É de extrema importância referir que os elementos de liga deslocam as curvas de arrefecimento para a direita, levando consequentemente a velocidades de arrefecimento mais lentas.

| Silício | Crómio | Manganês | Níquel | Principais características | - elemento desoxidante-aumenta a resistência à tracção e ao desgaste-elemento grafitizante-Restringe o domínio do ferro γ | -Tende a formar carbonetos -Aumenta o poder de corte e resistência ao desgaste-Diminui a velocidade crítica de têmpera-aumenta a dureza depois de têmperaElemento alfageno (aumenta os pontos críticos) | -elemento desoxidante-confere um aumento de resistênciaBaixa os pontos de transformação-diminui a velocidade crítica superior de têmpera-aumenta o limite elástico e a resistência à tracção-aumenta a temperabilidade-evita descarbonizações e deformações | -não forma carbonetos-aumenta a penetração de têmpera e tenacidade dos aços-provoca um abaixamento dos pontos de transformação(elemento gamageno)-atrasa a transformação de austenite em martensite |

Tabela 1-Principais características dos elementos de liga

Estudo do material fornecido

Para o estudo do material foram-nos fornecidos três provetes do aço G15 Special (designação segundo F. Ramada). Trata-se de um aço de construção, também apropriado para os tratamentos de cementação. Este tipo de aço é usado no fabrico de cavilhas, casquilhos, guias e placas de deslizamento, devido às suas características mecânicas, entre as quais se destacam uma elevada tenacidade e resistência no núcleo. Este é o que apresenta melhores características mecânicas entre todos os aços apropriados para cementação.

EuroNorm | AISI | SS | AFNOR | DIN | W.Nr. | 15NiCr13 | 3415 | 2514 | 12NC15 | 14NiCr14 | 1.5752 | Tabela 2- Diferentes normas para o aço G15 Special

Carbono (C) | Silício (Si) | Manganês (Mn) | Crómio (Cr) | Níquel (Ni) | 0.14% | ≤0.40% | 0.55% | 0.75% | 3.25% |
Tabela3- Composição Química para o aço G15 Special

O aço G15 Special fornecido apresenta-se no estado recozido e com uma dureza aproximada de 250HB. Na tabela 4 são apresentadas as características mecânicas deste material.

Tensão de rotura (Rm) | 90/135 (Kg/mm2) | Tensão limite de elasticidade (Rp0.2) | ≥ 75 (Kg/mm2) | Extensão Após rotura (A) | ≥ 9 (l0=5 d0) | Temperatura de recozido | 630-650oC | Temperatura de cementação | 880-930 oC | Temperatura de têmpera | 830-880 oC | Meio de arrefecimento | óleo | Temperatura de revenido | 170-550 oC |
Tabela 4-Caracteristicas mecânicas do aço G15 Special

Antes de realizarmos os tratamentos térmicos é necessário procedermos a uma análise teórica para ter uma noção dos valores que irão ser obtidos e comparar posteriormente as possíveis semelhanças e/ou diferenças que possam vir a ser encontradas.

Análise da microestrutura:

0.14% C Aço Hipoeutectóide (Ferrite + Perlite) % Perlite = 0.14-0.03 X 100 = 13.25 0.86-0.03

% Ferrite = 0.86-0.14 X 100 = 86.75 0.86-0.03

Nota: Estes cálculos são baseados no diagrama de equilíbrio das ligas FeC, Para arrefecimentos infinitamente lentos (ver figura 7)

Diagrama 1

0.14% C
0.14% C

Fig. 7-Diagrama de equilíbrio Fe3C

Representação esquemática da microestrutura esperada:

A Perlite pode também aparecer sob a forma globular e não só em lamelas devido à presença de elementos de liga, nomeadamente o crómio, daí o material ser fornecido no estado de recozido de amaciamento.

A Perlite pode também aparecer sob a forma globular e não só em lamelas devido à presença de elementos de liga, nomeadamente o crómio, daí o material ser fornecido no estado de recozido de amaciamento.

Ferrite
Ferrite
Perlite ( Globular )
Perlite ( Globular )
Perlite (lamelar)
Perlite (lamelar)

Fig. 8- Microestrutura esperada

Microestrutura real :

Fig. 9-Microfotografia do aço G15 Special no estado fornecido (diferentes ampliações)

Estudo do ponto eutectóide ( S ):

Como o aço G15 Special é um aço ao carbono com elementos de liga, é importante estudar a influência que esses mesmos elementos de liga poderão ter no deslocamento do referido ponto.

Deslocamento horizontal Sh ( %C ) = 0.86 - 0.09 X Mn – 0.065 X Cr – 0.03 X Ni = 0.86 – 0.09 X 0.55 – 0.065 X 0.75 – 0.03 X 3.25 = 0.86 – 0.0495 – 0.04875 – 0.0975 = 0.66 ( %C )

Deslocamento vertical Sv ( oC ) = 723 – 30.5 X Mn + 8.3 X Cr -11.5 X Ni = 723 – 32.5 X 0.55 + 8.3 X 0.75 – 11.5 X 3.25 = 673.98 ( oC )

De acordo com estes dados o ponto eutectóide irá sofrer um deslocamento que é necessário considerar, logo a percentagem de constituintes também irá sofrer uma alteração. Assim:

% Perlite = 0.14-0.03 X 100 = 17.5 0.66-0.03

% Ferrite = 0.66-0.14 X 100 = 82.5 0.66-0.03

Ensaio de dureza:

Após o polimento dos dois provetes, foi realizado experimentalmente um ensaio de dureza constituído por três medições cujos resultados são apresentados na tabela em baixo.

1ª Medição | 2ª Medição | 3ª Medição | 209 HB | 205HB | 205HB |
Tabela 5- Diferentes medições de dureza efectuadas Fazendo a média das três medições chegámos ao valor de 206HB.
Como se pode verificar existe uma discrepância entre o valor de dureza por nós medido e o valor fornecido pelo catálogo. Esta diferença pode ser explicada pelo facto de os provetes não serem relativamente recentes e com o passar do tempo o fornecedor ir alterando as propriedades do aço e consequentemente os valores catalogados.

Tratamento Metalográfico

A análise metalográfica tem como objectivo possibilitar a visualização em microscópio electrónico da microestrutura do material. Este processo divide-se em 4 fases distintas, entre as quais:

1.Corte 2. Polimento 3.Ataque Químico 4. Visualização microscópica

1. Corte

O Processo de corte é efectuado numa máquina própria para o efeito, com a finalidade de preparar a amostra para o polimento. De referir que este processo foi efectuado antes das amostras nos serem entregues.

2. Polimento

Este processo segue uma sequência de polimento em que as amostras são submetidas ao lixamento em quatro máquinas que possuem lixas com diferentes tamanhos de grão. Sendo que a primeira possui duas lixas, uma com 80 e outra com 180 de granulometria, a segunda também com duas lixas, uma com 320 e outra com 800 de granulometria, sendo que a terceira difere pelo facto desta ter apenas uma lixa e também porque já não possui tanto a função de lixamento, mas sim de polimento para obter um acabamento superficial isento de marcas ou riscos. Para este fim é aplicada uma pasta de alumina. A quarta máquina complementa todo este processo através de dois discos de polimento de diamante (3 µm e 1 µm) sendo necessário aplicar um lubrificante para um melhor resultado.
No final a amostra terá de apresentar uma superfície completamente lisa e espelhada.

3. Ataque químico

Nesta fase, a amostra já totalmente polida e isenta de qualquer tipo de impurezas, é imersa numa solução de nital (2%,98ml de álcool para 2ml de ácido nítrico concentrado). Este processo tem como objectivo preparar a amostra para a visualização da microestrutura em microscópio electrónico. Para tal a amostra apenas deverá estar em contacto com a solução alguns segundos, tempo suficiente para que esta se apresente com uma superfície baça.

4. Visualização microscópica

Com recurso a um microscópio electrónico é analisada a superfície atacada da amostra e posteriormente é tirada uma microfotografia.

Previsão dos resultados
No que diz respeito à previsão dos resultados, é possível prever os valores de dureza tanto no núcleo como na superfície. Para o núcleo podemos determinar a sua dureza directamente a partir do diagrama TTT do próprio aço G15 Special, contudo para determinar a dureza à superfície é necessário recorrer a um diagrama TRC de um aço que seja semelhante em termos de composição química com excepção da percentagem de carbono que terá de estar compreendida entre 0,8% e 1% (valores convencionados).

* Dureza à superfície

Para este caso encontrámos o aço 90MnCrV8 (norma DIN) cuja composição química apresentamos na tabela em baixo, e comparamos com o nosso aço G15 Special.

| %C | %Mn | %Si | %S | %P | %Ni | %Cr | 90MnCrV8 | 0.9 | 1.8 | 0.20 | - | - | - | 0.4 | G15 Special | 0.14 | 1.25 | ≤0.40 | - | - | 3.25 | 0.7 | Tabela 6- Comparação da composição química dos diferentes aços

Velocidade de arrefecimento superior a VCST (velocidade critica superior de tempera)
Velocidade de arrefecimento superior a VCST (velocidade critica superior de tempera) Fig.10- TRC do aço 90MnCrV8

* Dureza no núcleo

Inicialmente referimos que, para determinar a dureza no núcleo teríamos de recorrer ao diagrama TTT do aço G15 Special, mas visto este não possuir curvas de arrefecimento continuo, teremos de recorrer a um outro aço também com composição química semelhante, o qual apresentamos em baixo.

| %C | %Si | %Mn | %Cr | %Mo | %Ni | 14NiCr14 | 0.13 | 0.26 | 0.46 | 0.78 | 0.04 | 3.69 |
Tabela 7- Composição química do aço 14NiCr14

Velocidade de arrefecimento superior a VCST (velocidade critica superior de tempera)
Velocidade de arrefecimento superior a VCST (velocidade critica superior de tempera)

Fig.11-Diagrama TRC do aço 14NiCr14

Relativamente às durezas, segundo a análise dos diagramas, encontramos para o núcleo a dureza de 435HV (43 HRC) e para a superfície o valor de 780HV (65HRC).
Definição do tratamento térmico
Para uma melhor gestão de trabalho e tempo, recorremos a um planeamento dos tratamentos a realizar na peça, de acordo com os objectivos pretendidos.
Como o objectivo reside em verificar que um maior tempo de estágio de cementação resultará também num aumento de espessura da camada cementada. De acordo com os dados fornecidos, referentes à profundidade de cementação a 900oC (temperatura recomendada para o aço G15 Special ), obtém-se por hora uma espessura de 0.14mm. Visto este ser um valor demasiado pequeno para uma boa observação, definimos um maior tempo de estágio a fim de obter, consequentemente, maiores valores de espessura na camada cementada.
Assim, planeámos dois tratamentos térmicos, o primeiro com um tempo de estágio de sete horas a fim de se obter 1mm de espessura de camada cementada, e o segundo com um tempo de estágio suficientemente superior (10 horas) para que possamos comprovar o aumento da camada cementada. De referir ainda que o cemento que vai ser usado é o granulado Durferrit 6.

Por lapso, o técnico responsável efectuou os tratamentos com dez e doze horas de estágio. Facto que não afecta o objectivo do trabalho, tendo apenas como consequência maiores valores da camada cementada.

Para a realização dos tratamentos térmicos é necessário definir as temperaturas Ac1 e Ac3.Neste caso, como o aço é hipoeutectóide, necessitamos apenas do valor da temperatura Ac3 (garantia de total austenitização). Para determinar essa temperatura recorreu-se a um ensaio dilatométrico representado na figura em baixo, onde se obteve a temperatura de aproximadamente 800oC.

Fig. 12-Ensaio dilatométrico do aço G15 Special

Tratamento térmico 1

Para o primeiro tratamento térmico, colocou-se a amostra no forno até atingir a temperatura de 900oC (temperatura superior à temperatura de austenitização), seguindo-se um estágio de 10 horas à referida temperatura. Segundo os dados que nos foram fornecidos, para um tempo de estágio de 10 horas a 900oC deveremos obter uma espessura de 1.4mm. Após esse estágio, a amostra é arrefecida rapidamente (tempera directa) Como se pretende obter a máxima dureza na peça, o arrefecimento tem de ser rápido, daí que o meio de arrefecimento seja a água, o qual nos permite obter à superfície uma estrutura totalmente martensitica.

Fig.13- Representação esquemática do tratamento térmico 1

Resultados do tratamento térmico 1

Após a realização do tratamento térmico, a amostra foi submetida a um novo processo de polimento semelhante ao que já havia sido feito anteriormente. Assim, analisando os resultados obtidos podemos então concluir relativamente à dureza obtida, à profundidade da camada cementada, bem como à microestrutura.

Para a determinação do perfil de dureza resultante da cementação com as diferentes temperaturas e tempo de estágio usámos a norma ABNT NBR 13.178/94, que prescreve os métodos de determinação e verificação da profundidade de cementação nos aços. A profundidade de cementação é definida como sendo a distância perpendicular entre a superfície e a camada, com dureza limite 550 HV, medida conforme
A figura em baixo esquematiza a disposição das impressões medidas no ensaio de dureza.

Para a determinação do perfil de dureza resultante da cementação com as diferentes temperaturas e tempo de estágio usámos a norma ABNT NBR 13.178/94, que prescreve os métodos de determinação e verificação da profundidade de cementação nos aços. A profundidade de cementação é definida como sendo a distância perpendicular entre a superfície e a camada, com dureza limite 550 HV, medida conforme
A figura em baixo esquematiza a disposição das impressões medidas no ensaio de dureza.

Fig. 14- Representação esquemática da camada cementada

* Dureza e profundidade de camada cementada

O ensaio de dureza resultou nos valores descritos na tabela 8:

Espessura (mm) | Média das diagonais (µm) | Dureza (HV100g) | 0.1 | 17.5 | 681 | 0.5 | 17 | 642 | 0.9 | 17.5 | 605 | 1.4 | 20 | 464 | 2.4 | 22 | 383 | Núcleo | 22.5 | 366 |
Tabela 8- Valores de dureza medidos após tratamento térmico 1

1.1
1.1
550
550

Fig. 15- Gráfico da microdureza de perfil após o tratamento térmico 1

* Microestrutura

Após o polimento efectuado e já anteriormente referido, a amostra foi observada no microscópio electrónico, obtendo-se as seguintes micrografias:

Figura 16 - Microestrutura da periferia onde pode ser observada a fronteira entre a camada cementada e o núcleo.

Figura 16 - Microestrutura da periferia onde pode ser observada a fronteira entre a camada cementada e o núcleo.

Figura 17 – Microestrutura da zona de transição entre a camada cementada e o núcleo.
Figura 17 – Microestrutura da zona de transição entre a camada cementada e o núcleo.

Figura 18 - Microestrutura do núcleo onde é possível observar os constituintes martensite (zona escura) e bainite (zona clara)
Figura 18 - Microestrutura do núcleo onde é possível observar os constituintes martensite (zona escura) e bainite (zona clara)

Tratamento térmico 2

Para este tratamento, o processo usado foi semelhante, ao tratamento térmico 1 com a diferença do tempo de estágio, que neste caso teve a duração de 12 horas. Com este tempo de estágio espera-se obter uma espessura de camada cementada de 1,68mm.
Na figura em baixo está representado o tratamento térmico seguido.

Fig 19- Representação esquemática do tratamento térmico 2

Resultados do tratamento térmico 2

Quanto ao tratamento térmico 2, iremos expor os resultados obtidos, tal como foi feito em relação ao tratamento térmico 1. Assim temos:

* Dureza e profundidade de camada cementada

O ensaio de dureza resultou nos valores descritos na tabela 9:

Espessura (mm) | Média das diagonais (µm) | Dureza (HV100g) | 0.1 | 16 | 724 | 0.5 | 16.5 | 681 | 1.0 | 16.5 | 681 | 1.5 | 19.5 | 488 | 2.0 | 20 | 464 | Núcleo | 21 | 421 |
Tabela 9 - Valores de dureza medidos após tratamento térmico 2

1.35
1.35
550
550

Fig. 20- Gráfico da microdureza de perfil após o tratamento térmico 2

* Microestrutura

As seguintes microestruturas foram observadas ao microscópio:

Figura 21– Microestrutura da periferia onde pode ser observada a fronteira entre a camada cementada e o núcleo.

Figura 21– Microestrutura da periferia onde pode ser observada a fronteira entre a camada cementada e o núcleo.

Figura 22– Microestrutura da zona de transição entre a camada cementada e o núcleo.

Figura 22– Microestrutura da zona de transição entre a camada cementada e o núcleo.

Figura 23- Microestrutura do núcleo onde é possível observar os constituintes martensite (zona escura) e bainite (zona clara)

Figura 23- Microestrutura do núcleo onde é possível observar os constituintes martensite (zona escura) e bainite (zona clara)

Discussão dos resultados

| | | Tratamento térmico 1 (10h) | Tratamento térmico 2 (12h) | | Previsto | Real | Previsto | Real | Dureza à superfície (HV) | 780 | ≈680 | 780 | ≈720 | Dureza no núcleo (HV) | 435 | ≈370 | 435 | ≈410 | Profundidade de cementação (mm) | 1.4 | 1.1 | 1.68 | 1.35 |
Tabela 10- Comparação entre valores Teóricos e Obtidos

No cômputo geral, no que à dureza diz respeito, verificámos um decréscimo dos valores previstos inicialmente, tanto em relação ao núcleo como à superfície. Relativamente ao núcleo esta variação deve-se ao facto de haver formação de bainite.
No caso da superfície, a diminuição do valor de dureza pode estar relacionada com três factores: descarbonização à superfície, existência de austenite residual e também o facto de termos usado como meio de previsão um diagrama TRC de um aço com 0,9% de Carbono, o que não nos dá um valor totalmente preciso.

Analisando a tabela, verifica-se que houve um aumento da dureza, tanto no núcleo como à superfície, do tratamento térmico 1 para o tratamento térmico 2.Isto permite-nos concluir que, aumentando o tempo de estágio a que a amostra é submetida, os valores de dureza obtidos são superiores. Esta relação entre a dureza e tempo de estágio é descrita no gráfico em baixo.

À medida que o tempo de estágio aumenta, a curva do gráfico tende a estagnar, uma vez que a partir de um determinado momento não é possível aumentar mais a dureza.

Fig.24- Relação dureza/tempo de estágio
Quanto à profundidade da camada cementada, os valores obtidos são inferiores aos que tínhamos previsto. Pela tabela observámos também que houve um aumento da espessura de camada cementada, o que nos leva a concluir que, para um maior tempo de estágio resulta numa maior profundidade de camada cementada. Os gráficos em baixo ilustram a diferença entre os resultados previstos e os obtidos.

Valores previstos
Valores previstos

1.35
1.35

1.1
1.1

Valores obtidos
Valores obtidos

10 horas
10 horas

Fig.25 - Relação profundidade de cementação/tempo de estágio

Conclusão

Após este trabalho podemos então concluir que a cementação é um tratamento termoquímico que consiste na adição de carbono à superfície, com a finalidade de conferir maior dureza na periferia da peça, mas sem alterar substancialmente a dureza e tenacidade no núcleo, o que nos permite afirmar que no mesmo aço podemos ter características de dois aços distintos.
É ainda possível afirmar que existem vários tipos de cementação, consoante a aplicação e finalidade da peça. Podemos também referir, que os elementos de liga afectam as características do material, alterando assim as condições em que ocorre o processo de cementação.
Com os tratamentos térmicos realizados, observámos que podemos ter diferentes valores de dureza e profundidade de cementação, conforme o tempo de estágio. Concluímos também que a relação entre o tampo de estágio e a profundidade não é linear, uma vez que existe um limite para a camada cementada.
Terminado todo o processo de cementação alcançámos o objectivo pretendido com o trabalho, que foi comprovar que com um aumento do tempo de estágio, obtemos uma maior espessura de camada cementada.

Bibliografia