Estudo da cementação sólida em engrenagens cilíndricas de dentes retos de aço SAE 4320

Abstract

A cementação sólida é um tratamento termoquímico usualmente aplicado no endurecimento superficial de engrenagens, fabricadas de aços com baixo teor de carbono. A engrenagem é posicionada dentro de uma caixa de aço com um pó rico em carbono, sendo levada ao forno e permanecendo numa temperatura de austenitização do aço por um determinado tempo. Neste período ocorre a difusão do carbono para o interior do aço. Ao final do processo, a engrenagem deve ser temperada e revenida. Este endurecimento proporciona à engrenagem maior resistência ao desgaste, enquanto seu núcleo permanece dúctil e tenaz. O objetivo principal deste estudo é verificar a aplicabilidade do cálculo de difusão do carbono no aço, baseado na segunda Lei de Fick, comparando o estudo teórico com os resultados obtidos na prática. Nos cálculos teóricos foram escolhidas três concentrações de carbono para uma mesma profundidade de camada cementada, e seus respectivos tempos de difusão do carbono foram calculados (tempo de forno). Após o experimento, amostras das engrenagens foram removidas e preparadas para análises metalográfica e de microdureza. A avaliação das imagens feitas no estereoscópio e no microscópio óptico, bem como a análise dos perfis de microdureza constatou que, na prática, os cálculos de difusão não foram satisfatórios nas condições de cementação sólida aplicadas nas amostras 2 e 3. Somente os resultados experimentais da amostra 1, que ficou cerca de 2,4 h no forno (o menor dos três tempos), apresentou uma profundidade de camada endurecida próxima àquela recomendada para engrenagens com módulo 2.Pack carburizing is a thermochemical treatment widely used to harden the surface of low carbon steel gears. The gear is placed inside a steel box with some carbon rich powder, then it is put into the oven and it remains at the austenitizing temperature of the steel for a determined period of time. During this period, carbon diffusion occurs into the steel. At the end of the process, the gear must be quenched and tempered. This hardening treatment makes the gear more wear resistant while its core remains ductile and tough. The main objective of the present study is to verify the applicability of the steel carbon diffusion calculation, based on the second Fick’s Law, by comparing the theoretical study with the experimental results. In the theoretical calculations, three carbon contents were chosen for the same carburized layer depth and their respective carbon diffusion times were calculated. After the experiment samples were cut from the gears and prepared for metallographic and microhardness analysis. The evaluation of the stereoscope and optical microscope images, as well as the analysis of microhardness profiles, verified that the diffusion calculations were not satisfactory under the pack carburizing conditions applied to samples 2 and 3. Only the experimental results for sample 1, which was kept in the oven for about 2.4 h (the shortest exposure time), showed a hardened layer depth close to that which is recommended for gears of module 2.