Aço para cementação: processo, classes e quando utilizá-lo

O que é cementação?

A cementação é um conjunto de tratamentos superficiais que produzem uma camada externa dura e resistente ao desgaste (a "camada endurecida") sobre um núcleo tenaz e dúctil. O método mais comum é a cementação, que difunde carbono na superfície do aço de baixo carbono. Os métodos de difusão relacionados são a carbonitretação (carbono e nitrogênio) e a nitretação (somente nitrogênio). Todos eles endurecem a superfície alterando sua composição química e, em seguida, resfriando a peça onde o processo o exige.

A cementação não deve ser confundida com a têmpera por indução ou por chama. Esses processos também endurecem uma camada superficial, mas o fazem aquecendo e resfriando localmente o aço que já contém carbono suficiente, sem adicionar nenhum novo elemento. Este guia aborda os processos de cementação por difusão.

Uma peça cementada é projetada para oferecer duas propriedades simultaneamente:

• Uma superfície dura e resistente ao desgaste, tipicamente com dureza entre 58 e 64 HRC.
• Um núcleo resistente e à prova de choque, normalmente com dureza Rockwell C (30 a 45 HRC).

Um aço temperado em toda a sua extensão a 60 HRC seria demasiado quebradiço para uma peça sujeita a impactos, enquanto um núcleo com dureza de 35 HRC sofreria desgaste rápido se exposto na superfície. A cementação separa os dois requisitos em duas zonas da mesma peça.

Como funciona o endurecimento superficial

Cementação (mais comum)

A cementação adiciona carbono à superfície do aço de baixo carbono (tipicamente de 0,10 a 0,25% de carbono), o que não é suficiente para endurecê-lo por si só.

1. Difusão de carbono: a peça é mantida a 900-950°C em uma atmosfera rica em carbono (gás, sal líquido ou composto sólido). O carbono se dissolve na austenita na superfície e difunde-se para o interior.
2. Profundidade da camada cementada: a profundidade efetiva típica da camada cementada é de 0,5 a 2,0 mm. O crescimento segue a raiz quadrada do tempo, em vez de uma taxa constante, portanto, uma camada cementada mais profunda leva um tempo desproporcionalmente maior. Aproximadamente dobrar a profundidade da camada cementada requer cerca de quatro vezes o tempo de cementação a uma determinada temperatura.
3. Têmpera: a peça é temperada em óleo ou água. A superfície rica em carbono transforma-se em martensita dura com dureza entre 60 e 64 HRC, enquanto o núcleo com baixo teor de carbono permanece mais macio e resistente.
4. Revenimento: um revenimento a baixa temperatura, entre 150 e 200 °C, alivia a tensão com pouca perda de dureza superficial.

Carbonitretação

A carbonitretação é essencialmente um processo de cementação com adição de nitrogênio à atmosfera. O nitrogênio aumenta a temperabilidade da camada endurecida e reduz a temperatura de têmpera, permitindo que a peça opere a temperaturas entre 800 e 870 °C e seja resfriada em óleo. A profundidade da camada endurecida é menor do que na cementação, geralmente de 0,1 a 0,5 mm, e o ciclo é mais rápido. É um processo adequado para peças menores e componentes sujeitos a desgaste em grande volume.

Nitretação

A nitretação difunde nitrogênio na superfície a baixa temperatura, em torno de 500 a 550 °C, em gás amônia ou em um banho de sal. Não é necessário resfriamento rápido, pois a dureza provém dos nitretos duros que se formam no local. A camada superficial é fina, com aproximadamente 0,1 a 0,5 mm de espessura, mas extremamente dura, em torno de 700 a 1100 HV, e a distorção é mínima, pois não há resfriamento rápido nem mudança de fase no núcleo.

A nitretação não é utilizada em aços cementados comuns de baixo carbono. Ela requer aços que contenham elementos formadores de nitretos, como cromo, molibdênio, alumínio ou vanádio. Na prática, isso significa aços-liga de médio carbono (por exemplo, aços de aço-liga ..., 4140 e aços específicos para nitretação) e muitos aços para ferramentas. H13, Por exemplo, o aço é rotineiramente nitretado para melhorar a resistência ao desgaste e à erosão da superfície em ferramentas de fundição e extrusão.

Aços adequados para cementação

Os processos de cementação e carbonitretação exigem um aço base com baixo teor de carbono. A adição de elementos de liga nas classes superiores aumenta a resistência do núcleo e a capacidade de endurecimento superficial em seções mais espessas.

8620 is the most widely used alloy carburizing grade, balancing core toughness with moderate hardenability. 20CrMnTi adds titanium for grain refinement and dominates Chinese automotive gear production. The plain carbon grades 1018 and 1020 are the cheapest options but offer limited core strength and hardenability, so they are best suited to lighter-duty applications. The Japanese chromium-molybdenum carburizing grade SCM415 covers the same part families, and its composition and heat treatment limits are listed in the Aço de liga SCM415 referência.

Endurecimento superficial versus têmpera total

A tensão residual de compressão deixada em uma camada cementada é uma vantagem real para peças submetidas a contato de flexão ou rolamento, pois suprime o início de trincas de fadiga na superfície.

Escolhendo entre cementação e aço ferramenta

O endurecimento superficial é a escolha certa quando

• Componentes que necessitam de um núcleo resistente para suportar impactos ou flexões incluem engrenagens, eixos e árvores de cames.
• O desgaste fica restrito à superfície, e a peça pode tolerar uma profundidade limitada de desgaste.
• O formato é complexo, pois a cementação segue superfícies contornadas e proporciona uma camada uniforme.
• A resistência à fadiga por flexão ou contato é crucial, sendo que a tensão superficial compressiva proporciona um benefício direto.

O aço ferramenta temperado em toda a sua extensão é a escolha certa quando

• A peça é uma ferramenta de corte que será afiada novamente, portanto a aresta deve ter propriedades consistentes em toda a sua profundidade.
• O desgaste pode penetrar além de uma camada superficial fina, como em processos de estampagem, cisalhamento e extrusão de grande porte.
• É necessária uma elevada dureza a quente, por exemplo, H13 na fundição sob pressão.
• Toda a seção transversal deve resistir à deformação plástica, como em punções e matrizes de conformação.

Por que a cementação não pode substituir o aço ferramenta em matrizes e ferramentas de corte?

A camada endurecida é rasa, tipicamente de 0,5 a 2 mm. Uma vez que se desgasta, o núcleo macio fica exposto e a peça falha rapidamente. As matrizes também são retificadas diversas vezes ao longo de sua vida útil, e cada retificação remove material endurecido, de modo que uma matriz cementada eventualmente exporia seu núcleo macio. Além disso, a resistência ao desgaste de uma camada cementada provém exclusivamente da martensita rica em carbono, enquanto um aço como o D2 possui uma alta fração volumétrica de carbonetos de cromo duros, aproximadamente de 12 a 18% em volume, que resistem à abrasão muito melhor. Para uma aresta de corte, a retenção de fio do aço ferramenta temperado em toda a sua extensão é de uma classe superior.

A cementação é excelente para engrenagens, eixos e rolamentos. No entanto, é a escolha errada para matrizes de estampagem, punções, ferramentas de conformação e ferramentas de corte, que exigem aço ferramenta temperado em toda a sua extensão.

Controle de Qualidade para Peças Cementadas

• Profundidade da camada endurecida: medida por um ensaio de dureza da superfície até o núcleo, ou por exame microscópico, em relação à profundidade efetiva especificada da camada endurecida.
• Dureza superficial: Rockwell C ou Vickers sob carga especificada.
• Dureza do núcleo: geralmente medida no raio médio ou no centro.
• Microestrutura: martensita fina na camada superficial, ausência de carbonetos contínuos nos contornos de grão e austenita retida controlada.
• Distorção: verificação dimensional após tratamento térmico.

Páginas relacionadas

• O que é aço ferramenta?
• guia de tratamento térmico de aço para ferramentas
• Aço ferramenta S7 resistente a choques
• Aço para ferramentas H13
• Guia de Seleção de Aços para Ferramentas