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Ferros & Aços VI

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Tópicos: Austêmpera | Carburização e Descarburização |

1) Austêmpera

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É uma outra alternativa para a têmpera e revenido convencionais. A Figura 1-I exibe uma curva aproximada típica. A peça aquecida é resfriada até uma temperatura pouco acima do início da formação de martensita (Mi). O meio de resfriamento é normalmente um banho de sais fundidos, por exemplo, uma mistura de nitrato de sódio e de potássio. A peça é mantida nessa temperatura (em geral, entre 300 e 400°C) pelo tempo suficiente para transformar toda a austenita em bainita e, em seguida, resfriada ao ar. Em razão da temperatura constante na fase de transformação, esse tratamento é classificado de isotérmico. Notam-se as diferenças básicas em relação à têmpera convencional: transformação em bainita no lugar da martensita e ausência do revenido.


Fig 1-I

Algumas vantagens da austêmpera:

• ausência da etapa de revenido.
• características de deformação e tendência a trincas melhores que as da martêmpera.
• para durezas semelhantes, resistências ao impacto maiores que as obtidas com têmpera convencional ou com martêmpera.

Entretanto, o método apresenta algumas limitações. As seções devem ser resfriadas de forma a evitar formação de perlita. Na prática, isso limita a espessura das seções a valores na faixa de 5 a 6 mm para aços-carbono. Alguns aços-liga permitem seções maiores, mas o tempo da transformação torna-se excessivamente longo.


2) Carburização e Descarburização

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Difusão é um processo físico-químico, pelo qual átomos de uma substância penetram na estrutura de outra. Aqui se considera o caso específico do par ferro e carbono. Ferro é o elemento número 26 da tabela periódica, enquanto o carbono é o número 6. Isso significa que o átomo do carbono é menor que o do ferro e, portanto, é natural que, no processo de difusão, os átomos de carbono ocupem espaços vazios nas estrutura formada pelos átomos de ferro.

Supõe-se uma experiência conforme esquema na parte inferior da Figura 2-I (b). Uma barra de ferro puro tem uma extremidade em contato com uma porção de carvão (fonte de carbono). As demais superfícies da barra são consideradas em meio neutro, sem qualquer interação com o ferro. Os resultados demonstram que a difusão do carbono no ferro é dependente da temperatura. Sob temperatura ambiente, ela não ocorre ou é tão pequena que pode ser considerada nula. Com aumento da temperatura, há o correspondente incremento da energia cinética dos átomos, significando vibrações mais intensas que aumentam a probabilidade de saltos dos átomos de carbono na estrutura do ferro.


Fig 2-I

Supõe-se agora que o conjunto carvão / ferro é aquecido a 950°C. Em (a) da Figura 2-I, é dada uma parte do diagrama de equilíbrio ferro / carbono visto em página anterior. Nessa temperatura, só pode haver solução de carbono em ferro γ (austenita) e o máximo teor de carbono que ela pode conter é aproximadamente 1,3% (interseção com a linha Acm). Numa camada de espessura infinitesimal na superfície em contato com o carvão, pode-se dizer que a concentração de carbono é o máximo (1,3%) que pode existir na temperatura do conjunto (950°C). E o teor de carbono diminui com a profundidade, pois os átomos de carbono encontram cada vez mais obstáculos para a penetração.

A difusão é também dependente do tempo. Quanto maior o tempo de contato, maiores serão as concentrações ao longo do comprimento da barra. As três curvas do gráfico da Figura 2-I (b) referem-se a tempos diferentes, com aumento na direção indicada. Esse é o princípio da cementação, isto é, o enriquecimento carbono na superfície para aumento, via têmpera, da sua dureza. Outras informações sobre cementação podem ser vistas nas próximas páginas.

O aumento do teor de carbono devido à difusão também pode ser denominado, de forma mais genérica, carburização. O inverso também pode ocorrer: um aço pode ter seu teor de carbono diminuído, ou seja, sofrer uma descarburização.

Em (a) da Figura 2-II, supõe-se uma barra de aço com 0,90% de carbono aquecida a 950°C. Considera-se que uma extremidade da barra está em contato com o ar e as demais superfícies estão em meio neutro, sem interação com o aço. A alta temperatura favorece a reação do oxigênio do ar com o carbono do aço para formar dióxido de carbono. De forma similar ao anterior, a intensidade do processo aumenta com o tempo e curvas típicas das variações de teores ao longo da barra são dadas em (b) da mesma figura.


Fig 2-II

A descarburização de aços nas altas temperaturas necessárias aos tratamentos térmicos é um aspecto importante a considerar (a consequência prática é, logicamente, a formação de uma camada superficial de menor dureza). Muitas vezes a prevenção é necessária, com uso, por exemplo, de fornos de atmosfera controlada ou aquecimento em banho de sal fundido.

Outro fato indesejável que pode ocorrer no aquecimento de aços é a formação de uma camada de óxido devido à reação do ferro com substâncias presentes na atmosfera:

Com oxigênio: 2Fe + O2 → 2FeO
Com dióxido de carbono: Fe + CO2 → FeO + CO
Com vapor d'água: Fe + H2O → FeO + H2

Considera-se agora o processo de carburização conforme (b) da Figura 2-I anterior. À primeira vista pode parecer que o carbono sólido do carvão se difunde no ferro. Mas isso não é rigorosamente verdadeiro. Na realidade, o carbono é fornecido pelo gás monóxido de carbono formado pela reação (queima) do carvão com o oxigênio do ar. Pode-se dizer que, na prática, a queima do carvão produz monóxido e dióxido de carbono conforme seguinte reação:

3 C + 2 O2 → CO2 + 2 CO

A mistura de monóxido com dióxido de carbono interage com o carbono do aço na forma de uma reação reversível podendo aumentar ou diminuir o teor de carbono do mesmo.

Carburizar: 2 CO → CO2 + Caço
Descarburizar: CO2 + Caço → 2 CO

O sentido da reação depende das concentrações de cada parte (CO e CO2) em relação ao total da mistura.


Fig 2-III

Desde que são dois componentes, considera-se apenas o percentual de CO2. A reversibilidade da reação anterior permite concluir que deve existir um valor de concentração de CO2 tal que ocorre um equilíbrio termodinâmico, isto é, não há perda nem ganho de carbono no aço. Esse valor depende da composição do aço e da temperatura. A Figura 2-III dá a variação temperatura x concentração de CO2 para aços-carbono com 0,20%C, 0,60%C e 0,95%C.

Seja, por exemplo, um aço com 0,95% de C. A 1000°C, uma concentração de aproximadamente 0,07% CO2 não produz ganho nem perda de carbono, ou seja, é uma atmosfera neutra para o aço nessa temperatura. Se o teor de CO2 é menor, há então uma atmosfera que aumenta o teor de carbono da superfície (cementação).

Fornos práticos podem usar o chamado gás endotérmico para controlar o nível de CO2 e, portanto, produzir atmosferas neutras ou com capacidade de cementação. É obtido, por exemplo, pela queima do metano em um conversor catalítico. O resultado é cerca de 20% de mistura CO + CO2, além de 40% de H2 e 40% de N2. O teor de CO2 é controlado pela relação ar / combustível na entrada do conversor. O hidrogênio tem a capacidade de aumentar a taxa de transferência de carbono na cementação. Mas o risco associado (explosão) é evidente.

Em antigos processos que usavam carvão para aquecimento, a relação CO2 / CO era ajustada na prática pela vazão de ar insuflado. Vazões elevadas produziam temperaturas altas e também elevadas relações CO2 / CO, que resultavam em descarburização e oxidação. Vazões menores reduziam temperaturas, mas proporcionavam relações menores de CO2 / CO para o enriquecimento superficial de carbono (cementação) das peças de aço.
Referências
Bouché, Ch. Leitner, A. Sans, F. Dubbel. Manual da Construção de Máquinas. São Paulo, Hemus, 1979.
Faires, V. M. Elementos Orgânicos de Máquinas. Rio, Livros Técnicos, 1976.
Chiaverini, V. Aços e Ferros Fundidos. São Paulo, ABM, 1982.

Topo | Rev: Set/2009