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.

A liga 8620 é a mais utilizada para cementação, equilibrando a tenacidade do núcleo com uma temperabilidade moderada. A liga 20CrMnTi adiciona titânio para refinamento de grãos e domina a produção de engrenagens automotivas na China. As ligas de carbono simples 1018 e 1020 são as opções mais baratas, mas oferecem resistência do núcleo e temperabilidade limitadas, sendo, portanto, mais adequadas para aplicações de menor exigência.

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.

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