1. Introduction
2.5.1 Application of the model
O processo de carbonetação ou cementação consiste na introdução de carbono por difusão na superfície do aço, de modo que este, depois de temperado, apresente uma superfície dura. A profundidade de penetração do carbono depende da temperatura e do tempo. Para produzir uma superfície dura com um núcleo tenaz, deve-se partir de um aço com baixo teor de carbono 0,25% C e aquecê-lo geralmente entre 900° e 950 °C em um ambiente rico em carbono e após determinado tempo, promover o resfriamento acelerado cuja velocidade irá depender da sua composição, de modo a gerar a estrutura martensítica de têmpera na sua superfície (SILVA, MEI, 1981). Normalmente existe uma diferença entre a taxa de resfriamento do núcleo da peça com relação à superfície fazendo com que apareça uma estrutura predominantemente composta por ferrita e perlita. Como o volume da martensita é maior do que o da ferrita, originam-se tensões compressivas na superfície da peça. A figura 5 ilustra o resultado do processo de carbonetação na superfície dos dentes de uma engrenagem.
Figura 5 - Tratamento termoquímico de cementação em dentes de engrenagem.
A nitretação, figura 6, é um tratamento termoquímico de endurecimento superficial em que se introduz superficialmente no aço, nitrogênio, sob a ação de um ambiente nitrogenoso, a uma temperatura compreendida na faixa de 500° a 560 °C, não necessitando de nenhum tratamento térmico posterior, reduzindo a possibilidade de empenamentos, distorções e trincas. A nitretação é realizada com o objetivo de obter elevada dureza superficial; aumento da resistência ao desgaste, fadiga e corrosão; melhora da resistência superficial ao calor, até temperaturas correspondentes às da nitretação (SILVA, MEI, 1981). Este tratamento está baseado na mudança de volume. Como o volume de nitretos é maior que os de ferrita predominante no restante da peça, isto promove a geração de tensões compressivas na superfície da peça.
Figura 6 - Tratamento termoquímico de nitretação. Várias ampliações para a camada nitretada de um componente mecânico.
Fonte: GALVÃO et al, 2016
2.3.4 . Tratamentos superficiais - deposição de carbetos e cromo duro.
A prevenção contra o desgaste e corrosão em superfícies metálicas normalmente é feita através da deposição de um componente mais resistente que o metal de base (MCGRANN et al, 1998). Essa deposição pode ser eletrolítica no caso de recobrimentos como o cromo duro em hastes de pistões, ou a anodização de peças em alumínio. Esta deposição também pode ser conduzida através de processos de metalização como flame-spray arame; flame-spray pó; arco-spray; aspersão e fusão e através de processos hipersônicos de deposição como HP/HVOF ( High Pressure/High Velocity Oxygen and Fuel ), figura 7.
Figura 7 - Processo de metalização HP/HVOF
Fonte: OGRAMAC, 2016
Através destes processos é possível depositar componentes como, cobre, estanho, zinco, aços carbono, aços liga e até componentes mais complexos como, CERMETs, uma combinação de cerâmicas e metais; carboneto de tungstênio base cobalto; carboneto de tungstênio base níquel; carboneto de tungstênio base cobalto/cromo; carboneto de cromo base níquel/cromo; super ligas base cobalto – Stelitte; ligas de níquel/cromo/boro; aços inoxidáveis AISI serie 300 e 400 entre outros.
Vários tipos de recobrimentos introduzem uma melhora significativa na resistência ao desgaste, porém alguns diminuem drasticamente a vida útil do componente, devido ao surgimento de trincas no recobrimento que acabam por adentrar no material base comprometendo sua performance. Estes componentes recobertos acabam por apresentar uma vida em fadiga menor que a do componente sem o recobrimento (MCGRANN et al, (1998).
(MCGRANN et al, (1998
) estudaram
o efeito do recobrimento de tungstênio cobalto (83%WC–17%Co), aplicado no processo termo spray HP/HVOF, na vida em fadiga do aço SAE 4130 e do alumínio 6061-T6511. Investigaram a influência das tensões residuais geradas, tanto na camada de recobrimento, na interface desta com o metal de base e no metal base. Devido as altas temperaturas que envolvem o processo HVOF e as diferenças nos coeficientes de expansão térmica entre o material de recobrimento e o metal de base, substrato, além do material de recobrimento ser literalmente arremessado com velocidade hipersônica contra o substrato, é inevitável o surgimento de tensões residuais de compressão tanto no recobrimento, como no substrato (MCGRANN et al, 1998).Controlando os parâmetros do equipamento de metalização, fabricaram amostras com diferentes níveis de tensões residuais de compressão no recobrimento, (leve, médio, alto), tanto para as amostras em alumínio como as em aço; avaliaram as tensões residuais através do método de remoção de camadas e conduziram testes de fadiga por flexão até que ocorresse a
separação da camada do metal base, ou rompimento das peças, ou até o limite de 10 milhões de ciclos.
O objetivo era comparar a eficiência desta proteção com relação aos recobrimentos eletrolíticos tradicionais aplicados com o mesmo intuito de proteção ao desgaste e corrosão, executados com cromo duro no caso do aço e de anodização, no do alumínio, avaliando o efeito das tensões residuais na vida em fadiga destes componentes. Produziram, também, amostras no aço SAE 4130 recobertas com cromo duro obtidas por processo eletrolítico. Aproveitaram, também, para comparar o resultados com peças sem tratamento e as mesmas submetidas ao processo de jateamento com granalha ( shot peening).
Obtiveram os seguintes resultados:
Nos testes de fadiga, para as peças em alumínio recobertas com WC-CO, as
que tiveram maior vida foram as que apresentaram maior nível de tensão residual de compressão (30 vezes mais ciclos com relação às de menor nível);
No caso das peças em aço recobertas com WC-CO, as amostras que possuíam
um maior nível de tensões residuais de compressão também apresentaram uma maior vida em fadiga. (10 vezes mais ciclos com relação às de menor nível);
As amostras de aço recobertas com WC-CO com menor nível de tensão
residual compressivas apresentaram desempenho igual ou superior às recobertas com cromo duro.
As amostras de aço recobertas com WC-CO com maior nível de tensão
residual compressivas apresentaram desempenho 7,5 vezes superior às recobertas com cromo duro.
O número de ciclos até a falha para as amostras recobertas com WC-CO com
elevado nível de tensões residuais de compressão se aproximaram bastante do número de ciclos até à falha das amostras tratadas com jateamento (shot peening).
As amostras recobertas com cromo duro apresentaram tensões residuais de
tração em camadas próximas à superfície com elevada descontinuidade de valores, sugerindo a existência de trincas internas à camada.