Cementação por atmosfera de gás: Estudos de caso, lições aprendidas – Parte II

Cementação por atmosfera de gás: Estudos de caso, lições aprendidas – Parte II

Nós continuamos a discussão iniciada na edição de Out a Dez de 2012, sobre a atmosfera cementante, e iremos conhecer os problemas que encontramos nos tratamentos térmicos e as soluções que precisam ser implementadas para se atingir um resultado de sucesso. Vamos aprender mais.

Carbonetos e Colares de Carbonetos

A formação de carbonetos e colares de carbonetos (Fig. 1) nos contornos de grão (ou seja, massivos) tem sido o assunto de grande quantidade de estudos, mas, de uma forma geral, estão diretamente relacionadas com as variáveis de processo, as quais encontram-se fora de controle. Entre elas estão o alto potencial de carbono da atmosfera durante a etapa de impulsão do ciclo, tempo de difusão insuficiente, tempo de permanência à temperatura muito pequeno e têmpera a partir de uma temperatura muito baixa, somente para nomear alguns. Felizmente, a formação de carbonetos pode ser minimizada por passos como o controle do potencial de carbono, a adição de mais tempo ao ciclo para a difusão e a mudança da temperatura de difusão (ou tempo). Esta é uma das razões pela qual os metalurgistas estão tão preocupados em verificar as leituras das sondas de oxigênio (carbono) utilizando um analisador de três gases para determinar o valor atual de CO, realizando o ensaio shim-stock (folha metálica) para determinação do carbono atual da superfície e pegando medidas do ponto de orvalho para comparar com informações históricas.

Austenita retida

A austenita que não se transforma em martensita durante a têmpera é chamada de austenita retida (AR). A AR ocorre quando o aço não é temperado até a temperatura Mf (temperatura final da transformação martensítica), ou seja, a temperatura não é baixa o suficiente para formar 100% de martensita. Como a Mf cai para temperaturas abaixo da temperatura ambiente em ligas contendo mais de 0,3% de carbono, quantidades significativas de austenita não transformada (retida) podem estar presentes, intercaladas com a martensita, em temperatura ambiente (Fig. 2). Entre as causas para as altas quantidades de AR incluem-se um potencial de carbono muito alto e a têmpera direta a partir da temperatura de cementação. Algumas soluções seriam: a redução do potencial de carbono, um resfriamento lento seguido por um recozimento subcrítico (opcional), e um re-aquecimento e têmpera a partir de uma temperatura de austenitização mais baixa, além disso, poderia também ser introduzido um tratamento subzero, em geral, na faixa entre -62 a -100°C. A AR é problemática por ser uma fase metaestável. Se submetida a tensões, temperaturas elevadas ou mesmo com o passar do tempo, a AR pode se transformar em martensita não-revenida. Além disso, esta transformação é acompanhada por uma mudança de volume (aumento) causando grandes tensões internas em um componente, aumentando-se assim a propensão às trincas.

Descarbonetação e Perda de Elementos de Liga

Se uma peça de aço é exposta a uma temperatura elevada na presença de ar (Fig. 3), o carbono será removido da superfície da peça (ou seja, ocorrerá descarbonetação) e/ou outros elementos de liga como o manganês e o cromo serão oxidados na superfície (ou seja, perda de elementos de liga). Estes efeitos ocorrem, em geral, quando há um vazamento de ar no equipamento, um potencial de carbono inapropriado (muito baixo) é utilizado durante o processo de têmpera para a liga em questão, quando o pré-aquecimento do ar – antes de carregá-lo na atmosfera protetora do forno, é feito em temperaturas acima de 370°C, ou quando as peças são tratadas sem uma atmosfera protetora adequada. A manutenção adequada dos fornos, incluindo a verificação dos tubos radiantes para verificar a presença de possíveis vazamentos e um teste periódico da pressão combinados com um controle apropriado da atmosfera tipicamente eliminam as variáveis do equipamento relacionadas a este problema. Se forem utilizadas eletrodeposição de cobre e pinturas seletivas, as mesmas precisam ser aderentes e aplicadas de forma adequada.

Oxidação Intergranular

A oxidação intergranular (OIG) e o ataque intergranular (AIG) são comumente associados com o oxigênio presente durante a etapa de cementação do ciclo. Algumas relações OIG/AIG são inevitáveis, em geral 0,013 mm ou menos, na atmosfera cementante, mas, podem afetar de forma negativa as propriedades mecânicas como a vida em fadiga rotativa. As ações corretivas envolvem um melhor controle da atmosfera assegurando-se de que o forno não tenha vazamento, nenhum furo e/ou mudando para um método de cementação alternativo como a cementação “a vácuo” com baixa pressão. As soluções de pós-tratamento geralmente envolvem retificação da superfície para remover este efeito.

Baixa Dureza Superficial

A baixa dureza na camada cementada (Fig. 4) é frequentemente causada pela cementação com um potencial de carbono muito baixo, por quantidades de austenita retida maior do que a normal, descarbonetação parcial, têmpera “insuficiente” ou super-revenimento. A queda na dureza da superfície, em geral, pode ser corrigida utilizando-se um dos seguintes métodos: aumentando o tempo de impulsão na cementação (ou seja, maior potencial de carbono na atmosfera); cementação, resfriamento lento, recozimento subcrítico (opcional), re-aquecimento e têmpera a partir de uma temperatura de austenitização mais baixa; introdução de um tratamento subzero; e/ou seleção da temperatura de revenimento correta.

Cementação Selecionada e Falhas na Camada

Durante a cementação, diversos métodos de pintura e/ou recobrimento por cobre (ou seja, técnicas de mascaramento) podem ser utilizados para cementar de forma seletiva certas áreas do componente. Se estas técnicas forem defeituosas, a atmosfera cementante pode “entrar” sob a camada protetora. Entre as causas estão a contaminação da superfície ou a preparação superficial imprópria (ou seja, óleos, graxas, qualquer sujeira que tenha permanecido na superfície) produzindo bolhas ou irregularidades; tempo para secagem inadequado; pintura realizada em atmosfera com umidade relativa alta; métodos de recobrimento com cobre impróprios (por exemplo, questões relativas à aderência como superfícies com escamas ou camada de cobre muito fina); sopramento de ar extremamente agressivo após o recobrimento.

A seleção da técnica de revestimento e o material para o trabalho, a preparação adequada da superfície, o tempo adequado para a secagem, a realização da secagem em baixa temperatura em torno de 150°C, o uso de itens controlados para a limpeza (antes e depois da cementação) e o aquecimento das peças após o recobrimento com cobre irão assegurar uma resposta adequada. Quando é realizado um ataque com Nital em uma engrenagem após a têmpera, por exemplo, as áreas suspeitas aparecem como irregulares, ou seja, há indicações de um cinza escuro em áreas que deveriam apresentar um cinza claro.

Trincas Superficiais, Deslocamento da Camada Cementada e Quebra da Camada Cementada

Ocasionalmente, trincas (Fig. 5) ocorrem dentro da camada cementada (em geral, se origina subsuperficialmente). Este fenômeno é conhecido como separação entre a camada cementada e o núcleo – case/core separation – (ou como trinca da camada/separação da camada) e, geralmente, conduz à quebra da camada (Fig. 6), ou seja, a camada não suporta uma carga aplicada. Em engrenagens, isto não pode ser confundido com pitting, uma forma de falha da superfície por fadiga dos dentes da engrenagem.

O micro-trincamento que ocorre próximo aos carbonetos massivos também é relatado como uma causa de trincas na camada cementada. A separação camada/núcleo, em geral, ocorre devido às geometrias das peças inadequadas (por exemplo, seções finas e espessas em um mesmo componente) e/ou cementação para a obtenção de uma camada muito profunda. A eliminação de altas concentrações de carbono nos cantos e bordas, permitindo um estoque de segurança adequado (para possível remoção em um pós-tratamento) e a seleção adequada da profundidade de camada cementada são todos os caminhos para ajudar a eliminar este fenômeno.

Efeitos do Revenimento

Esta pergunta é feita com muita frequência a respeito de uma peça cementada: a temperatura de revenimento deveria ser selecionada para que seja atingida a dureza objetiva na camada cementada, no núcleo ou em ambos?

Como se vê, a camada é muito mais sensível à temperatura de revenimento selecionada do que o núcleo. A temperatura de revenimento, o tempo de permanência a esta temperatura e, em alguns casos, a taxa de resfriamento após o revenimento são fatores importantes e que devem ser considerados. O objetivo é obter uma estrutura com martensita revenida na região da camada cementada, ao mesmo tempo que seja mantida a dureza superficial desejada.

Outras Questões

Para a maior parte, os problemas com a atmosfera cementante são bem conhecidos, da mesma forma que as suas soluções. Um pensamento que de alguma forma é confortante é: “ela é a inimiga, nós sabemos”. O controle das variáveis induzidas pelo controle do processo e dos equipamentos combinado com um programa robusto de qualidade assegurada evitará o problema discutido aqui e também outros que poderiam surgir.

Então, aí está. Informações suficientes sobre problemas da cementação e soluções para evitar armadilhas de ter concedido e assumido que nada poderia dar errado. E lembre-se, a velha ostra, na cama de ostra, lá permaneceu, sem se dar conta da morsa e do carpinteiro. A experiência o manteve fora da mesa de jantar.

Referências

1. Herring, D. H., Fundamentals of Carburizing and Carbonitriding, Practical Learning Series, ASM International, 2001;
2. Weires, Dale J., Gear Metallurgy, Effective Heat Treating and Hardening of Gears Seminar, SME Short Course, 2007;
3. Mr. Darwin Behlke, Twin Disc Inc., private correspondence.

 

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