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3.2.5 Cementação a Plasma

Plasma é uma mistura gasosa constituídas de íons positivos e negativos, além de partículas neutras, embora a carga global desta mistura seja neutra. A cementação a plasma usa a tecnologia de descargas luminescentes (glow discharger) para fornecer íons de carbono para a superfície da peça. O plasma por descarga luminescente pode ser obtido e mantido colocando-se dois eletrodos metálicos dentro de um tubo de vidro evacuado, no qual foi injetado gás a baixa pressão (da ordem de 1,0 torr) e aplicando-se uma diferença de potencial de algumas centenas de volts nestes eletrodos. Formam-se no tubo várias regiões de descargas visíveis (figura 10). Para a cementação, apenas as descargas muito próximas do catodo são relevantes, pois, nessa região, o campo alétrico é mais potente e as velocidades dos elétrons suficientemente altas para provocarem a dissociação das moléculas do gás contido no tubo. Como esta é região é muito próxima do catodo, fica mais fácil para os íons formados atingirem a superfície do catodo e serem absorvidos por ela (Costa e Silva e Mei, 2006).

Figura 10. Descargas luminescentes em um tubo com gás a baixa pressão submetido a uma diferença de potencial (Grube, 1991).

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O processo de cementação iônica é mais rápido que o de cementação a gás. Se o metano (CH4) for usado, por exemplo, na cementação a gás, ocorrerão várias reações de decomposição desse gás (em CH3, depois CH2, depois CH, para finalmente, haver liberação do carbono ativo (C), que irá se dissolver no aço). Na cementação iônica, a dissociação do metano forma diretamente o carbono ativo, reduzindo o tempo do processo. Com isso, a temperatura empregada pode ser aumentada (1040ºC no lugar de valores próximos de 900ºC da cementação a gás), o que favorece a difusão do carbono ativo para o interior do aço e aumenta o limmite de solubilidade do carbono na austenita (figura 1). Por exemplo, uma cementação iônica por 10 minutos a 1050°C, seguida por um aquecimento a vácuo por 30 minutos (para permitir a difusão no carbono para o interior da peça), produz o mesmo perfil de distribuição do carbono na peça que uma cementação a gás a 918°C por 6 horas (Figura 12a). Em relação a cementação a gás e a vácuo, a cementação iônica é um processo mais rápido (Figura 12b) (Costa e Silva e Mei, 2006; Grube, 1991).

Figura 1. Limite de solubilidade do carbono na austenita para cementação iônica e a gás (Grube, 1991).

Figura 12. a)Comparação entre a cementação iônica e a cementação a gás para o aço 1020. b)

Perfil de distribuição de carbono em aço 8620 cementado por 30 minutos a 980°C com diferentes processos (Grube,1991).

a) b)

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A camada cementada na cementação iônica é a mais uniforme que na cementação a gás ou a vácuo, especialmente em regiões de acesso mais difícil, como raiz dos dentes de uma engrenagem, por exemplo. Outra vantagem da cementação iônica é o seu maior poder de manter uma camada uniforme em furos da peça (Figura 13). A cementação a vácuo demonstrou manter uma camada uniforme dentro de furos com relação altura (L)/diâmento (D) até 7, enquanto a cementação a gás mantece até 9 e a iônica até 12 (Costa e Silva e Mei, 2006).

Figura 13. Expessura da camada cementada dentro do furo após cementação a 980ºC por diferentes processos em função da relação do furo (Gruber, 2006).

O custo de um sistema de cementação iônica é similar ao de cementação a gás, porém o custo de operação do primeiro é 20% menor que o de cementação a gás e 5% menor que o de cementação a vácuo. A figura 14a apresenta um esquema da cementação a plasma, e a a figura 14b apresenta um forno de cementação a plasma.

Figura 14. a) esquema de um sistema de cementação iônica. b) forno de cementação a plasma. 4. AÇOS PARA CEMENTAÇÃO E APLICAÇÕES

A Infomet em seu portal on line explica que a tendência atual para a cementação é o emprego da mesma em aços-ligas, entretanto a adição de ligas nas composições do aço reflete em seu preço, além de afetar seus processos de fabricação e possibilidade de tratamento térmico. Por isso se busca cada aplicar a cementação sempre que possível em aços menos complexos, e se exigir alguma aplicação específica em aços baixa liga. Contudo, em alguns momentos é exigida alta resistência nas aplicações do aço, exigindo a adição de ligas.

Segundo a Infomet os aços para cementação são: Aços carbonos; aços-liga de baixo teor em liga; e aços ligas para teores maiores de elementos de ligas.

Aços Carbono O tipo padrão para esse aço é o SAE 1020, porém sua composição geral é de 0,08% a 0,25%. Pode ser adicionado porcentagens de manganês por apresentar melhor usinabilidade; capacidade de endurecer sem formação de pontos moles.

a) b)

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Esses aços convenientemente tratados termicamente são capazes de adquirir um núcleo suficientemente tenaz, e após sua superfície cementada eles se tornam indicados a umavariedade de aplicações, em que o principal requisito é a superfície dura e resistente ao desgaste.

Exemplos típicos são: pinos, pequenas engrenagens, alavancas, eixo de comando de válvulas, fusos, roletes, pequenos mecanismos, enfim, peças que não estão sujeitas a solicitações severas de outra natureza a não ser desgaste superficial.

Aços-ligas de baixo teor

Esses aços apresentam um total de 1% a 2% de elementos de ligas como o níquel, cromo, molibdênio e manganês. A tabela 5 apresenta algumas composições típicas para esse aço:

Tabela 5. Aços-liga de baixo teor em liga para cementação (Infomet)

As aplicações típicas desses aços correspondem a uma série de componentes da indústria automobilística, incluindo engrenagens de transmissão, coroas, pinhões, engrenagens de diferenciais, parafusos, eixos de comando de válvulas,