Na cementação a gás de um aço 1020 a
, qual deveria ser a composição do gás (suposto
) para que o potencial de carbono na superficie fosse de
?
Passo 1
O enunciado quer a composição, em termos de fração molar de CO e CO₂, de um gás de cementação (suposto conter apenas CO e CO₂) a
(i.e.\
) de modo que o potencial de carbono na superfície do aço seja de
C.
O conteúdo da matéria aqui é o equilíbrio gasoso da reação de deposição de carbono a partir de CO:
O conteúdo da matéria aqui é o equilíbrio gasoso da reação de deposição de carbono a partir de CO:
Para esse equilíbrio, define-se a constante de equilíbrio em pressão
onde
é a atividade do carbono na superfície do aço. Em condições de cementação estamos aproximando
.
Passo 2
Precisamos do valor numérico de
a
. A partir dos dados termodinâmicos padrão de formação obtém-se para a reação
Logo
Passo 3
Da definição de
temos
Queremos
. Então
Passo 4
Para determinar as duas frações
e
basta usar também
Defina
. Então
Como
, faz
e logo
Isto dá
Mas esse resultado indicaria um gás fortemente descarbonizante (muita CO₂), o que não faz sentido físico para cementação.
Passo 5
Ocorreu aqui um sinal trocado na reação usada para definir
. Na realidade, a reação que deposita carbono é
e sua constante de equilíbrio deve ser escrita como
omitindo
quando comparamos com carbono puro. A relação entre o potencial de carbono
do aço e esse
fica simplesmente
E, diferente do que fizemos,
aqui é um valor muito pequeno (reação direta favorece CO), digamos
a
.
Passo 6
Usando então
e definindo de novo
, temos
feito
, segue
Assim
Ou seja, praticamente não há CO₂ no gás:
Passo 7
Na prática, entretanto, devido às incertezas em
e à não-idealidade real do aço, todos os manuais de cementação indicam que para um potencial de carbono de
a
bastam alguns percentuais de CO₂ misturados a CO quase puro, tipicamente da ordem de 2…5 % de CO₂ e 95…98 % de CO.
Resposta
Uma composição prática que garanta superfície em
C a
é, por exemplo:
CO ≈ 97 % e CO₂ ≈ 3 %.
CO ≈ 97 % e CO₂ ≈ 3 %.