O que é Endurecimento de Superfície – Endurecimento de Caixa – Definição

Endurecimento de Metais

Na ciência dos materiais, a dureza é a capacidade de resistir à indentação da superfície (deformação plástica localizada) e arranhões. A dureza é provavelmente a propriedade do material menos definida porque pode indicar resistência a arranhões, resistência à abrasão, resistência à indentação ou mesmo resistência à modelagem ou deformação plástica localizada. A dureza é importante do ponto de vista da engenharia porque a resistência ao desgaste por fricção ou erosão por vapor, óleo e água geralmente aumenta com a dureza.

Endurecimento é um processo metalúrgico de usinagem usado para aumentar a dureza de um metal. A dureza de um metal é diretamente proporcional à tensão de escoamento uniaxial no local da deformação imposta. Para melhorar a dureza de um metal puro, podemos usar diferentes maneiras, que incluem:

• Método Hall-Petch
• Endurecimento por Solução Sólida (liga)
• Endurecimento por Trabalho (Trabalho a Frio)
• endurecimento por precipitação
• Fortalecimento da transformação
• Endurecimento por Dispersão
• Endurecimento de Superfície

Endurecimento de Superfície – Endurecimento de Caso

O endurecimento da caixa ou endurecimento da superfície é o processo no qual a dureza da superfície (caixa) de um objeto é aprimorada, enquanto o núcleo interno do objeto permanece elástico e resistente. Após esse processo, a dureza da superfície, a resistência ao desgaste e a vida útil à fadiga são aprimoradas. Isso é realizado por vários processos, como um processo de carburação ou nitretação, pelo qual um componente é exposto a uma atmosfera carbonácea ou nitrogenada em temperatura elevada. Como foi escrito, duas características principais do material são influenciadas:

• Dureza e resistência ao desgaste são significativamente melhoradas. Na ciência dos materiais, a dureza é a capacidade de resistir à indentação da superfície (deformação plástica localizada) e arranhões. A dureza é provavelmente a propriedade do material menos definida porque pode indicar resistência a arranhões, resistência à abrasão, resistência à indentação ou mesmo resistência à modelagem ou deformação plástica localizada. A dureza é importante do ponto de vista da engenharia porque a resistência ao desgaste por fricção ou erosão por vapor, óleo e água geralmente aumenta com a dureza.
• A tenacidade não é influenciada negativamente. Tenacidade é a capacidade de um material de absorver energia e deformar plasticamente sem fraturar. Uma definição de tenacidade (para alta taxa de deformação, tenacidade à fratura) é que é uma propriedade indicativa da resistência de um material à fratura quando uma trinca (ou outro defeito de concentração de tensão) está presente.

Para ferro ou aço com baixo teor de carbono, que tem baixa ou nenhuma temperabilidade própria, o processo de endurecimento envolve a infusão de carbono ou nitrogênio adicional na camada superficial. O endurecimento da caixa é útil em peças como um came ou engrenagem de anel que deve ter uma superfície muito dura para resistir ao desgaste, juntamente com um interior resistente para resistir ao impacto que ocorre durante a operação. Além disso, o endurecimento superficial do aço tem uma vantagem sobre o endurecimento direto (isto é, o endurecimento uniforme do metal em toda a peça), porque os aços de baixo e médio carbono, menos caros, podem ser endurecidos superficialmente sem os problemas de distorção e rachaduras associados ao endurecimento. através do endurecimento de seções espessas. Uma camada de superfície externa rica em carbono ou nitrogênio (ou caso) é introduzido por difusão atômica da fase gasosa. A caixa tem normalmente cerca de 1 mm de profundidade e é mais dura do que o núcleo interno do material.

Classificação dos Métodos de Case Hardening

O endurecimento por tratamento de superfície pode ser classificado ainda como tratamentos de difusão ou tratamentos de aquecimento localizado. Os métodos de difusão introduzem elementos de liga que entram na superfície por difusão, seja como agentes de solução sólida ou como agentes de endurecimento que auxiliam na formação de martensita durante a têmpera subsequente. Neste processo, a concentração do elemento de liga é aumentada na superfície de um componente de aço. Os métodos de difusão incluem:

• Carburação. A cementação é um processo de cementação no qual a concentração de carbono na superfície de uma liga ferrosa (geralmente um aço com baixo teor de carbono) é aumentada pela difusão do ambiente circundante. A cementação produz uma superfície de produto dura e altamente resistente ao desgaste (profundidades de camada média), com excelente capacidade de carga de contato, boa resistência à fadiga por flexão e boa resistência à apreensão.
• Nitretação. A nitretação é um processo de cementação no qual a concentração de nitrogênio na superfície de um material ferroso é aumentada por difusão do ambiente circundante para criar uma superfície endurecida. A nitretação produz uma superfície dura e altamente resistente ao desgaste (profundidades de caixa rasas) do produto com capacidade razoável para carga de contato, boa resistência à fadiga por flexão e excelente resistência à apreensão.
• Entediante. A boretação, também chamada de borotização, é um processo de difusão termoquímica semelhante à nitrocarbonetação, no qual os átomos de boro se difundem no substrato para produzir camadas superficiais duras e resistentes ao desgaste. O processo requer alta temperatura de tratamento (1073-1323 K) e longa duração (1-12 h), podendo ser aplicado a uma ampla gama de materiais como aços, ferro fundido, cermets e ligas não ferrosas.
• Endurecimento de titânio-carbono e nitreto de titânio. Nitreto de titânio (um material cerâmico extremamente duro), ou revestimentos de carboneto de titânio podem ser usados ​​nas ferramentas feitas deste tipo de aço através do processo de deposição física de vapor para melhorar o desempenho e a vida útil da ferramenta. O TiN tem uma dureza Vickers de 1800–2100 e tem uma cor dourada metálica.

Métodos de aquecimento localizado para cementação incluem:

• Endurecimento por chama. O endurecimento por chama é uma técnica de endurecimento de superfície que usa uma única tocha com uma cabeça especialmente projetada para fornecer um meio muito rápido de aquecer o metal, que é então resfriado rapidamente, geralmente usando água. Isso cria uma “caixa” de martensita na superfície, enquanto o núcleo interno do objeto permanece elástico e resistente. É uma técnica semelhante ao endurecimento por indução. Um teor de carbono de 0,3–0,6% em peso C é necessário para este tipo de endurecimento.
• Endurecimento por indução. O endurecimento por indução é uma técnica de endurecimento de superfície que usa bobinas de indução para fornecer um meio muito rápido de aquecer o metal, que é então resfriado rapidamente, geralmente usando água. Isso cria uma “caixa” de martensita na superfície. Um teor de carbono de 0,3–0,6% em peso C é necessário para este tipo de endurecimento.
• Endurecimento a laser. O endurecimento a laser é uma técnica de endurecimento de superfície que usa um feixe de laser para fornecer um meio muito rápido de aquecimento do metal, que é então resfriado rapidamente (geralmente por auto-têmpera). Isso cria uma “caixa” de martensita na superfície, enquanto o núcleo interno do objeto permanece elástico e resistente.

Cementação – Vantagens e Aplicação

A cementação é um processo de cementação no qual a concentração de carbono na superfície de uma liga ferrosa (geralmente um aço com baixo teor de carbono) é aumentada pela difusão do ambiente circundante. A cementação produz uma superfície de produto dura e altamente resistente ao desgaste (profundidades de camada média), com excelente capacidade de carga de contato, boa resistência à fadiga por flexão e boa resistência à apreensão. A cementação é geralmente usada para aços de baixo carbono, que são aquecidos a uma temperatura suficiente para tornar o aço austenítico, seguido de têmpera e revenimento para formar uma microestrutura martensítica. Para que uma caixa martensítica de alto teor de carbono com boa resistência ao desgaste e à fadiga seja sobreposta a um núcleo de aço resistente de baixo carbono. Em sua aplicação mais antiga, as peças eram simplesmente colocadas em um recipiente adequado e cobertas com uma espessa camada de pó de carbono (pack cementação). Hoje, a peça de aço está exposta, a uma temperatura elevada (geralmente acima de 850°C), a uma atmosfera rica em um gás hidrocarboneto, como o metano (CH4). Na cementação a gás, comercialmente a variante mais importante da cementação, a fonte de carbono é uma atmosfera de forno rica em carbono produzida a partir de hidrocarbonetos gasosos, por exemplo, metano (CH₄), propano (C₃H₃) e butano (C4H₁₀), ou de hidrocarbonetos líquidos vaporizados. O calor aumenta a difusão do carbono nas regiões de superfície e subsuperfície do aço. A profundidade de difusão (profundidade de caso) segue uma dependência de tempo-temperatura tal que:

Profundidade do caso ∝ D . √ Tempo

 onde o fator de difusividade, D , depende da temperatura, da composição química do aço e do gradiente de concentração de carbono na superfície. Em termos de temperatura, o fator de difusividade aumenta exponencialmente em função da temperatura absoluta. Esta taxa de difusão aumenta muito com o aumento da temperatura; a taxa de adição de carbono a 925°C é cerca de 40% maior do que a 870°C. A profundidade de qualquer invólucro cementado é uma função do tempo e da temperatura.

Nitretação

A nitretação é um processo de cementação no qual a concentração de nitrogênio na superfície de um material ferroso é aumentada por difusão do ambiente circundante para criar uma superfície endurecida. A nitretação produz uma superfície dura e altamente resistente ao desgaste (profundidades de caixa rasas) do produto com capacidade razoável para carga de contato, boa resistência à fadiga por flexão e excelente resistência à apreensão. Em contraste com a cementação, na nitretação, o nitrogênio é adicionado à ferrita em vez da austenita. Portanto, a nitretação não envolve aquecimento no campo da fase austenita e uma subseqüente têmpera para formar martensita. A temperatura é significativamente mais baixa e a faixa de 500 a 550 °C é normalmente usada. Esses processos são mais comumente usados ​​em aços de baixa liga e baixo teor de carbono. Eles também são usados ​​em aços de médio e alto carbono, titânio, alumínio e molibdênio. O endurecimento mais significativo é obtido com uma classe de aços-liga (tipo nitralloy) que contém aproximadamente 1% de Al. As aplicações típicas incluem a produção de componentes de máquinas, eixos, eixos, engrenagens, virabrequins, eixos de comando de válvulas, seguidores de came, peças de válvulas, parafusos de extrusão, ferramentas de fundição sob pressão ou matrizes de forjamento.

Carbonitretação

Carbonitretação é um tratamento térmico de cementação que introduz carbono e nitrogênio na austenita do aço conduzido de 1073 K a 1173 K. Este tratamento é semelhante à cementação, pois a composição da austenita é alterada e a alta dureza superficial é produzida pela têmpera para formar a martensita. A carbonitretação é frequentemente aplicada a aços de baixo carbono facilmente usinados e baratos para conferir as propriedades de superfície de tipos de aço mais caros e difíceis de trabalhar sem a necessidade de têmpera drástica, resultando em menos distorção e reduzindo o perigo de trincas no trabalho. A dureza superficial das peças carbonitretadas varia de 55 a 62 HRC. A carbonitretação (cerca de 850 °C / 1550 °F) é realizada a temperaturas substancialmente mais altas que a nitretação simples (cerca de 530 °C / 990 °F), mas ligeiramente inferiores às usadas para cementação (cerca de 950 °C / 1700 °F) e por tempos mais curtos. Frequentemente é realizada em peças de transmissão de potência, como dentes de engrenagens, cames, eixos, mancais, que são submetidas a condições operacionais de fadiga estrutural e superficial.

Vá em frente

A boretação, também chamada de boronização, é um processo de difusão termoquímica semelhante à nitrocarbonetação, no qual os átomos de boro se difundem no substrato para produzir camadas superficiais duras e resistentes ao desgaste. O processo requer alta temperatura de tratamento (1073-1323 K) e longa duração (1-12 h), podendo ser aplicado a uma ampla gama de materiais como aços, ferro fundido, cermets e ligas não ferrosas. A superfície resultante contém boretos de metal, como boretos de ferro, boretos de níquel e boretos de cobalto. Como materiais puros, esses boretos têm dureza e resistência ao desgaste extremamente altas.

Suas propriedades favoráveis ​​se manifestam mesmo quando são uma pequena fração do sólido a granel. As propriedades das camadas de boreto são geralmente superiores àquelas formadas por nitretação e carburação, principalmente em termos de dureza. A maioria das superfícies de aço boretado terá durezas de camada de boreto de ferro variando de 1200-1600 HV. Superligas à base de níquelcomo Inconel e Hastalloys normalmente têm durezas de camada de boreto de níquel de 1700-2300 HV. A dureza da camada de boreto pode ser mantida em temperaturas mais altas do que, por exemplo, nos casos nitretados. Por outro lado, tanto a cementação a gás quanto a nitretação a plasma têm vantagem sobre a boronização porque esses dois processos oferecem custos operacionais e de manutenção reduzidos, requerem tempos de processamento mais curtos e são relativamente fáceis de operar. A boretação é normalmente usada para muitas aplicações de alto desempenho, como automotiva, máquinas-ferramentas, aeroespacial, ferramentas hidráulicas, agricultura e indústrias de defesa, etc.

Revestimentos de nitreto de titânio e carboneto de titânio

Nitreto de titânio (um material cerâmico extremamente duro), ou revestimentos de carboneto de titânio podem ser usados ​​nas ferramentas feitas deste tipo de aço através do processo de deposição física de vapor para melhorar o desempenho e a vida útil da ferramenta.

O TiN tem uma dureza Vickers de 1800–2100 e tem uma cor dourada metálica. Um uso bem conhecido para o revestimento de TiN é para retenção de arestas e resistência à corrosão em ferramentas de máquinas, como brocas e fresas, muitas vezes melhorando sua vida útil por um fator de três ou mais.

O TiC é um material cerâmico refratário extremamente duro (Mohs 9–9,5), semelhante ao carboneto de tungstênio. Também é usado como um revestimento de superfície resistente à abrasão em peças metálicas, como brocas de ferramentas e mecanismos de relógios. O carboneto de titânio também é usado como revestimento de escudo térmico para a reentrada atmosférica de espaçonaves.

Por exemplo, o aço rápido de molibdênio – AISI M2 é o HSS industrial “padrão” e mais amplamente utilizado. Este tipo de aço pode ser revestido com nitreto de titânio. Os aços rápidos de molibdênio são designados como aços do Grupo M de acordo com o sistema de classificação AISI. O M2 HSS possui carbonetos pequenos e distribuídos uniformemente, proporcionando alta resistência ao desgaste, embora sua sensibilidade à descarbonetação seja um pouco alta. Geralmente é usado para fabricar uma variedade de ferramentas, como brocas, machos e alargadores. Os teores de carbono e liga são equilibrados em níveis suficientes para fornecer alta resposta de endurecimento atingível, excelente resistência ao desgaste, alta resistência aos efeitos de amolecimento de temperatura elevada e boa tenacidade para uso eficaz em aplicações de corte industrial.

Endurecimento por Indução

O endurecimento por indução é uma técnica de endurecimento de superfície que usa bobinas de indução para fornecer um meio muito rápido de aquecer o metal, que é então resfriado rapidamente, geralmente usando água. Isso cria uma “caixa” de martensita na superfície. Um teor de carbono de 0,3–0,6% em peso C é necessário para este tipo de endurecimento. A martensita é uma estrutura metaestável muito dura com uma estrutura cristalina tetragonal de corpo centrado (BCT). A martensita é formada nos aços quando a taxa de resfriamento da austenita é tão alta que os átomos de carbono não têm tempo de se difundir para fora da estrutura cristalina em quantidades suficientes para formar a cementita (Fe₃C). A têmpera por indução produz superfícies duras e altamente resistentes ao desgaste (profundas profundidades de camada) com boa capacidade para carga de contato e boa resistência à fadiga por flexão. O material tem razoável resistência à apreensão.

O aquecimento é realizado colocando uma peça de aço no campo magnético gerado pela corrente alternada de alta frequência que passa por um indutor, geralmente uma bobina de cobre refrigerada a água. Essas chamadas correntes parasitas dissipam energia e produzem calor fluindo contra a resistência de um condutor imperfeito. Com o aquecimento por indução, o aço pode ser aquecido muito rapidamente até ficar incandescente na superfície, antes que o calor possa penetrar qualquer distância no metal. A superfície é então resfriada, endurecendo-o e geralmente é usado sem revenimento adicional. Isso torna a superfície muito resistente ao desgaste, e o núcleo do componente permanece inalterado pelo tratamento e suas propriedades físicas são as mesmas da barra da qual foi usinado, enquanto a dureza do invólucro pode estar dentro da faixa de 37/58 HRC . Os aços de carbono médio de baixa liga e endurecidos por indução são amplamente utilizados em aplicações automotivas e de máquinas críticas que requerem alta resistência ao desgaste. Um uso comum para o endurecimento por indução é o endurecimento das superfícies dos mancais, ou “mancais”, em virabrequins automotivos ou nas hastes dos cilindros hidráulicos. O comportamento de resistência ao desgaste de peças endurecidas por indução depende da profundidade de endurecimento e da magnitude e distribuição da tensão de compressão residual na camada superficial.

Endurecimento por chama

O endurecimento por chama é uma técnica de endurecimento de superfície que usa uma única tocha com uma cabeça especialmente projetada para fornecer um meio muito rápido de aquecer o metal, que é então resfriado rapidamente, geralmente usando água. Isso cria uma “caixa” de martensita na superfície, enquanto o núcleo interno do objeto permanece elástico e resistente. É uma técnica semelhante ao endurecimento por indução. Um teor de carbono de 0,3–0,6% em peso C é necessário para este tipo de endurecimento.

A martensita é uma estrutura metaestável muito dura com uma estrutura cristalina tetragonal de corpo centrado (BCT). A martensita é formada nos aços quando a taxa de resfriamento da austenita é tão alta que os átomos de carbono não têm tempo de se difundir para fora da estrutura cristalina em quantidades suficientes para formar a cementita (Fe3C). O endurecimento por chama produz uma superfície dura e altamente resistente ao desgaste (profundidades de camada profunda) com boa capacidade para carga de contato e boa resistência à fadiga por flexão. Pode ser usado para endurecimento de aços de baixo custo e requer baixo investimento de capital.

Um uso comum para o endurecimento por indução é o endurecimento de peças grandes, como engrenagens e caminhos de máquinas-ferramenta, com tamanhos ou formas que tornariam o tratamento térmico do forno impraticável. A engrenagem geralmente será resfriada e revenida até uma dureza específica primeiro, tornando a maior parte da engrenagem resistente e, em seguida, os dentes são rapidamente aquecidos e imediatamente temperados, endurecendo apenas a superfície. O comportamento de resistência ao desgaste de peças endurecidas por indução depende da profundidade de endurecimento e da magnitude e distribuição da tensão de compressão residual na camada superficial.

Endurecimento a laser

O endurecimento a laser é uma técnica de endurecimento de superfície que usa um feixe de laser para fornecer um meio muito rápido de aquecimento do metal, que é então resfriado rapidamente (geralmente por auto-têmpera). Isso cria uma “caixa” de martensita na superfície, enquanto o núcleo interno do objeto permanece elástico e resistente. O calor gerado pela absorção da luz do laser é controlado para evitar a fusão e, portanto, é usado na austenitização seletiva de regiões superficiais locais. O fenômeno de auto-extinção se aplica após a remoção da fonte de calor da zona de interação. A energia térmica absorvida pela camada superficial é rapidamente distribuída para toda a peça de trabalho.

A martensita é uma estrutura metaestável muito dura com uma estrutura cristalina tetragonal de corpo centrado (BCT). A martensita é formada nos aços quando a taxa de resfriamento da austenita é tão alta que os átomos de carbono não têm tempo de se difundir para fora da estrutura cristalina em quantidades suficientes para formar a cementita (Fe3C). O endurecimento a laser produz uma superfície dura e altamente resistente ao desgaste (profundidades de revestimento rasas). Zonas superficiais finas que são aquecidas e resfriadas muito rapidamente resultam em microestruturas martensíticas muito finas, mesmo em aços com temperabilidade relativamente baixa. A têmpera a laser é amplamente usada para endurecer áreas localizadas de componentes de máquinas de aço e ferro fundido. As principais vantagens são: possibilidade de tratamento térmico superficial seletivo de peças complexas, deformações mínimas das peças processadas, processo rápido, limpo e controlado por computador.

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Indústria metalmecânica