Dissertação de Mestrado Acadêmico

Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica

PROJETOS E FABRICAÇÃO

31/07/2019

ESTUDO DA SUBSTITUIÇÃO DO PROPANO PELO GÁS NATURAL NO FORNO DE TRATAMENTO TERMOQUÍMICO DE CARBONITRETAÇÃO

As engrenagens de transmissão utilizadas na indústria automobilística estão expostas a elevadas cargas que favorecem o desgaste superficial e a fratura. Podem-se obter tais propriedades mecânicas por meio de tratamentos termoquímicos e mecânicos. Dentre os tratamentos termoquímicos, há a carbonitretação, em que o aço passa por um processo de adição de carbono (cementação gasosa) e nitrogênio (adição de amônia (NH3)) na austenita, seguido de tratamento térmico de têmpera e revenimento. Posteriormente a estes, faz-se o tratamento termomecânico de shot peening. A escolha do gás utilizado no tratamento termoquímico é um dos parâmetros importantes na cinética do processo, tanto na etapa de geração quanto na obtenção da atmosfera do forno. O propano (C3H8) é um gás frequentemente utilizado e, com sucesso, comprovado nessas etapas de geração e de formação da atmosfera, porém o seu custo e dificuldade de armazenamento trazem dificuldades para a indústria e interesse em sua substituição pelo gás natural (CH4). Este trabalho tem como objetivo estudar a possibilidade da substituição do propano pelo gás natural na atmosfera do forno de carbonitretação dos aços DIN 17NiCrMo7G e 19MnCr5G. Durante os experimentos, foi alterada a vazão do CH4 injetada na atmosfera do forno, em substituição ao propano (C3H8) na zona de carbonitretação, mantendo o percentual de CO2 dentro da faixa do padrão de processo (0,18 a 0,23%). A comparação dos resultados do processo de carbonitretação nas condições de adição de C3H8 ou CH4 foi realizada mediante a análise química do teor de carbono com a profundidade, a medição da profundidade efetiva da camada, a análise metalográfica com avaliação das fases presentes na superfície (austenita retida, martensita e cementita), a oxidação intergranular e o nível de tensão interna nas profundidades de 0, 15, 30, 45 e 60µm. Eliminou-se a formação de oxidação intergranular, após a estabilização da atmosfera do forno utilizando o gás natural (CH4). Além da vazão do gás natural (CH4), constatou-se, também, a necessidade de modificação do tempo de ciclo durante os experimentos. Concluiu-se, experimentalmente, a viabilidade da substituição do gás propano (C3H8) pelo gás natural(CH4) na saturação da atmosfera em fornos contínuos de tratamento termoquímico gasoso de carbonitretação.

STUDY THE PROPANE REPLACEMENT BY NATURAL GAS IN THE CARBONITRIDING THERMOCHEMICAL TREATMENT FURNACE

Transmission gears used in the automotive industry are exposed to high loads allowing surface wearing and fracture. Such mechanical properties can be obtained through thermochemical and mechanical treatments. Among the thermochemical treatments, there is the carbonitriding where the steel is exposed to carbon process addition (gas cementing) and nitrogen (ammonia addition (NH3)) in austenite, followed by heat treatment of quenching and tempering. Afterwards, the thermomechanical treatment of shot peening is done. The thermochemical treatment gas choice is one of the important parameters in the process kinetics both in generation stage and in furnace atmosphere obtaining. The gas Propane (C3H8) is frequently and successfully used in those stages of atmosphere generation and formation, but its cost and storage difficulty bring troubles to the industry and the interest of its replacement by natural gas (CH4). The work aims to study the possibility of replacing propane by natural gas in the furnace carbonitriding atmosphere of DIN 17NiCrMo7G and 19MnCr5G steels. During the experiments, CH4 flow was injected into the furnace atmosphere, replacing propane (C3H8) in the carbonitriding zone, keeping the percentage of CO2 within the process standard range (0.18 to 0.23%). The comparison between the results of the carbonitriding process considering the addition of C3H8 or CH4 was carried out by chemical analysis of the carbon content with the depth, the measurement of the layer effective depth, the metallographic analysis with evaluation of the existing phases on the surface (austenite, martensite and cementite), intergranular oxidation and internal stress level at the depths 0, 15, 30, 45 and 60 µm. The intergranular oxidation formation was eliminated after the furnace atmosphere stabilizing through natural gas (CH4). In addition to natural gas flow (CH4), it was also verified the necessity to modify the cycle time during the experiments. It was concluded experimentally the replacement feasibility of propane gas (C3H8) by natural gas (CH4) in atmospheric saturation in pushed furnaces for the carbonitriding gaseous thermochemical treatment.