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Os tratamentos termoquímicos têm por objetivo alterar as propriedades superficiais do aço. Em geral materiais extremamente duros têm elevada resistência ao desgaste, porém baixa tenacidade/resistência ao impacto. Por outro lado, materiais menos duros, embora mais tenazes, em geral não apresentam boa resistência ao desgaste.
Em peças como engrenagens, deseja-se um núcleo tenaz e uma superfície resistente ao desgaste. Para essa aplicação, aços com baixo teor de carbono são submetidos ao tratamento termoquímico de cementação, que eleva o teor de carbono na superfície, aumentando sua resistência ao desgaste, ao mesmo tempo que preserva a tenacidade do núcleo, mantido com baixo teor de carbono.
Meios para realizar o tratamento: são as fontes de C e N. Podem ser sólidos, líquidos e gasosos. Inicialmente a cementação foi desenvolvida em meio sólido, mas esse não é o meio mais eficiente.
Na atualidade prefere-se meios líquidos e gasosos para a realização de tratamentos termoquímicos, devido à maior velocidade do processo quando realizado com esses fluidos como meios.
Cementação (Carbonetação)
Enquanto no núcleo os aços cementados contêm de 0,15 a 0,25 % de carbono, na superfície o teor de carbono pode ser ajustado para valores entre 0,8 e 1 %.
A cementação pode ser realizada em meio sólido, líquido ou gasoso, também podendo ser utilizado plasma.
O potencial químico do carbono no meio de cementação determina o potencial máximo de carbono que o aço pode atingir e assim o teor de carbono na superfície do material.
O processo de difusão dos átomos de carbono na matriz rica em ferro do aço depende de alguns fatores:
• Temperatura de tratamento.
• Tempo de tratamento (até a saturação).
• Composição química do aço, incluindo o teor de carbono.
• Potencial químico do carbono na superfície da peça.
Cementação Sólida
É o processo mais antigo de cementação, que inicialmente envolvia somente o uso de meios de cementação (cementos) sólidos.
Entretanto, devido à lentidão da cementação sólida e às dificuldades de controle preciso dos resultados obtidos com esse processo, acabou sendo superado por outros processos, como a cementação gasosa e a cementação líquida. Por estes motivos passou a ter aplicação restrita, embora do ponto de vista microestrutural seja uma base para os demais processos.
O tratamento de cementação é realizado acima da zona crítica, no campo austenítico, no qual a solubilidade do carbono no aço é elevada.
Embora a fonte de carbono seja sólida, o carbono é transportado pelo gás que se forma em torno da peça, a qual é envolvida pelo meio de carbonetação. A reação CO2 + C = 2CO é crítica para definir o potencial químico do carbono.
Os cementos sólidos são tradicionalmente constituídos por uma mistura de carvão vegetal moído, porém não muito fino, e carbonatos, os quais agem como catalisadores, aumentando a proporção de CO em relação à de CO2. Um cemento tradicional é o de Caron, constituído por 40 % de carbonato de bário e 60 % de carvão vegetal.
A cementação sólida é lenta, requerendo algumas horas de permanência acima da zona crítica (900 a 1000 ºC) e durante este tempo ocorre crescimento de grão austenítico. Por esse motivo, após a cementação sólida em caixa é necessário um tratamento térmico que permita refinar o grão, geralmente a normalização.Após a normalização a camada superficial pode ser endurecida por têmpera.
Como resultado da cementação e da têmpera, a temperatura de têmpera foi suficiente para temperar a região cementada, devido ao seu alto teor de carbono, porém não modifica muito as propriedades do núcleo da peça, que deste modo preserva sua ductilidade. O interior da peça permanece na região intercrítica com resfriamento lento: perlita e ferrita, a superfície da peça é austenitizada e depois temperada, resultando em martensita.
A Dupla Têmpera é um tratamento térmico alternativo à normalização: uma primeira têmpera é realizada a cerca de 900 ºC, e é seguida por um novo tratamento de têmpera, porém em temperatura mais baixa (da ordem de 770 ºC). Deste modo, o núcleo poderá apresentar uma microestrutura mais refinada, obtendo assim melhor tenacidade. O tratamento é completado por um revenimento a 180 ºC para que as tensões sejam aliviadas. Os revenimentos de peças cementadas são obrigatoriamente realizados em baixas temperaturas para afetar o mínimo possível a dureza da camada cementada. A profundidade (espessura da camada cementada) depende do tempo de tratamento: a espessura da camada cementada aumenta com o tempo de cementação.
Na cementação sólida é inviável o ajuste do potencial químico do carbono, havendo considerável risco de cementação excessiva, inclusive formação de cementita em rede, que causa trincas na têmpera e no acabamento superficial.
Quando os gradientes de teor de carbono são muito altos há risco de lascamento da cama cementada.
Cementação Gasosa
A cementação gasosa é muito empregada na indústria, porém a limpeza superficial da peça a ser cementada é muito importante. Possibilita o controle do potencial de carbono através do uso de gases que contêm CO, CO2, H2, H2O e CH4. Além do controle do potencial de carbono também é necessário o controle do potencial de oxigênio.
Para assegurar uma distribuição adequada de carbono após a cementação é realizado um tratamento de difusão de carbono no campo austenítico.
A microestrutura resultante da cementação depende de dois fatores conjugados: variação de velocidade de resfriamento (têmpera) e variação de composição química (difusão de carbono). Assim, há diferentes microestruturas na superfície da peça cementada dependendo da velocidade de resfriamento após a cementação e do teor de carbono.
Cianetação Líquida
Tratamentos de cianetação implicam no uso de sais tóxicos no estado líquido, exigindo cuidados especiais de segurança. São realizados mediante a imersão das peças em sais fundidos contendo cianetos (exemplo: NaCN) a temperaturas entre 850 e 900 ºC, havendo dupla absorção, de carbono e nitrogênio. Após tempo adequado as peças cianetadas são temperadas a partir do banho de sais.
Em caso de necessidade de temperar novamente uma peça cianetada, esta deve ser aquecida num banho semelhante ao que foi utilizado para a cianetação.
Nitretação
O tratamento termoquímico de nitretação é realizado com a difusão do nitrogênio em (relativamente) baixas temperaturas. Como consequência, resulta em menor distorção e em camadas menos espessas do que as que são obtidas por cementação.
Como exemplo, num aço 4340 temperado, revenido e nitretado forma-se camada branca de nitreto de alta dureza.
A nitretação em geral leva à formação de uma camada rica em compostos (entre eles nitretos) próxima à superfície da peça, a qual é comumente conhecida como “camada branca”.
Nitrocarbonetação
O tratamento de nitrocarbonetação é utilizado na indústria com várias finalidades, principalmente para aumentar a resistência à fadiga térmica e à corrosão, assim como melhorar a resistência ao desgaste por atrito (propriedades tribológicas) dos aços usados para matrizes de trabalho a quente.
Há uma camada de nitreto e carboneto (branca) de alta dureza, quando nitrocarbonetação é realizada a 550 ºC por 5 h.
