Cementação explicada: definição, tipos e desempenho.

A cementação é um processo de endurecimento superficial em alta temperatura para produzir componentes com uma camada externa dura e resistente ao desgaste e um núcleo robusto e com capacidade de absorção de impactos. A cementação é o tratamento térmico padrão para componentes de alta resistência nas indústrias automotiva e aeroespacial, incluindo engrenagens de transmissão, eixos de transmissão e rolamentos de alta carga.

O que é Carburação?

A cementação é um processo de tratamento térmico químico no qual uma peça é aquecida e mantida em um meio cementante para permitir que os átomos de carbono penetrem em sua superfície. Este é um processo comum de tratamento térmico para materiais metálicos, permitindo que a superfície cementada da peça atinja alta dureza e melhor resistência ao desgaste. O processo de cementação é amplamente utilizado em peças mecânicas de aeronaves, automóveis e tratores, como engrenagens, eixos e árvores de cames.

Com base nos diferentes meios que contêm carbono, a cementação pode ser classificada em cementação gasosa, cementação sólida e cementação líquida.

A cementação gasosa é um processo no qual a peça é colocada em um forno de cementação selado, no qual é introduzido um agente cementante gasoso (metano, etano, etc.) ou um agente cementante líquido (querosene, benzeno, álcool, acetona, etc.). Estes se decompõem em altas temperaturas, liberando átomos de carbono ativos que penetram na superfície, resultando em uma camada superficial rica em carbono.

A cementação sólida é o método mais antigo, que consiste em colocar a peça de trabalho e um agente cementante sólido (carvão vegetal mais um ativador) em uma caixa de cementação selada, que é então aquecida em um forno até a temperatura de cementação e mantida por um determinado período de tempo para permitir que os átomos de carbono ativos penetrem na superfície.

A cementação líquida utiliza meios líquidos no processo. Os meios comuns de cementação líquida incluem o carbeto de silício e o agente cementante "603".

Carburização a Gás

A cementação gasosa é atualmente o método mais utilizado e de crescimento mais rápido. Permite uma atmosfera controlada e qualidade estável do produto através do ajuste racional dos parâmetros do processo.

A cementação gasosa é predominante hoje em dia devido à sua adequação para produção em massa, operações simplificadas e fácil controle de qualidade. Este método utiliza principalmente gás natural, propano ou butano como agente principal. Oferece vantagens como concentração de carbono superficial ajustável, fácil automação do controle do fluxo de gás e da temperatura, e gerenciamento simples. Suas desvantagens incluem equipamentos caros e custos elevados para pequenos lotes, exigindo conhecimento operacional especializado.

Crédito de imagem: ScienceDirect

Existem dois métodos de cementação gasosa: o método de gotejamento e o método endotérmico gasoso. No método de gotejamento, a peça é colocada em um forno selado tipo poço com meio cementante ativo e aquecida até a região de austenita monofásica a 900–950 °C (comumente 930 °C). Após um tempo suficiente, os átomos de carbono ativos, decompostos do meio, penetram na superfície do aço, resultando em alto teor de carbono na superfície, enquanto o núcleo mantém sua composição original. A atmosfera cementante no forno é formada principalmente pela decomposição de líquidos orgânicos como querosene, acetona, tolueno e formaldeído em altas temperaturas, consistindo principalmente de CO, H₂ e CH₄, com pequenas quantidades de CO₂ e H₂O.

O processo de cementação gasosa também consiste em três etapas básicas: decomposição, absorção e difusão. Primeiro, o meio cementante se decompõe em altas temperaturas para produzir átomos de carbono ativos:

CH₄ ⇌ 2H₂ + [C]

2CO ⇌ CO₂ + [C]

CO + H₂ ⇌ H₂O + [C]

Em seguida, os átomos de carbono ativo são absorvidos pela superfície do aço, dissolvidos na austenita de alta temperatura e difundem-se para o interior, formando uma camada cementada com determinada profundidade. A profundidade da camada depende principalmente do tempo de permanência. A uma temperatura constante, tempos de permanência mais longos resultam em camadas mais espessas. Na produção, o método de "verificação por amostragem no local" é frequentemente utilizado para determinar o tempo exato de descarga.

Ao utilizar um forno de poço a 930°C, a relação entre o tempo e a profundidade de cementação é a seguinte:

Carburação a Vácuo

A cementação a vácuo consiste em colocar a peça de trabalho em um forno a vácuo, evacuá-la e aquecê-la para purificar o seu interior. Assim que a temperatura de cementação é atingida, um hidrocarboneto (como o propano) é introduzido. Após um determinado período, o processo de cementação é interrompido e o forno é evacuado novamente para permitir a difusão do gás.

A cementação a vácuo é um tipo de cementação gasosa realizada em vácuo, tipicamente a temperaturas mais elevadas (1030–1050 °C). O vácuo tem um efeito de limpeza na superfície, facilitando a adsorção de átomos de carbono e reduzindo significativamente o tempo de ciclo para cerca de um terço do necessário para a cementação gasosa padrão. Além disso, os fornos a vácuo não aumentam os custos de manutenção em altas temperaturas.

Além disso, a cementação a vácuo não requer gás de arraste nem controle do potencial de carbono. A concentração de carbono depende da relação entre o tempo de aquecimento e o tempo de difusão, eliminando a necessidade de controladores de potencial de carbono e geradores de gás. Esse processo oferece benefícios significativos para a qualidade do produto e a conservação de energia.

Carburização Plasma

A cementação por plasma utiliza bombardeio de plasma para auxiliar a cementação gasosa. Assim como a cementação a vácuo, não requer geradores de gás ou controladores de potencial de carbono. A concentração da camada pode ser controlada ajustando-se a densidade da corrente de descarga. Devido ao fortalecimento do processo pelo impacto do plasma, a taxa de cementação é muito mais rápida do que a cementação convencional, sendo inclusive comparável à cementação a vácuo.

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Aços para cementação

Os aços utilizados para cementação são geralmente aços de baixo carbono e aços-liga de baixo carbono, com uma fração de massa de carbono exigida de 0.1% a 0.25% para garantir resistência e tenacidade suficientes no núcleo. Elementos de liga, como Cr, Ni, Mn, Ti e Mo, são adicionados para melhorar a temperabilidade, refinar os grãos, evitar o superaquecimento e aumentar a tenacidade do núcleo.

Séries e aplicações comuns:

Aços de baixa resistência (S355, 1022, 5120, etc.): Utilizados em peças resistentes ao desgaste e sujeitas a baixas cargas, como discos de fricção, buchas e medidores.

Aços de média resistência (20CrMn, 20CrMnTi, 20CrMnMo, etc.): Utilizados em peças resistentes ao desgaste e à fadiga sob cargas médias, como eixos, engrenagens e pinos.

Aços de alta resistência (12Cr2Ni4A, 18Cr2Ni4WA, 20Cr2Ni4, 30CrMnTi, etc.): Utilizados em peças de alta resistência e para cargas pesadas, como eixos de motores de alta potência e engrenagens robustas.

Tratamento térmico após cementação

Após a cementação, as peças devem passar por tratamento térmico para melhorar a resistência superficial, a dureza e a resistência ao desgaste, refinando os grãos e aumentando a tenacidade do núcleo.

Têmpera Direta

O resfriamento direto consiste em resfriar a peça no forno (ou pré-resfriá-la) a 760–860 °C após a cementação e, em seguida, resfriá-la completamente. O pré-resfriamento reduz a tensão interna e a deformação, permitindo que a austenita rica em carbono precipite carbonetos e reduzindo a austenita retida. Esse método aumenta a produtividade e reduz os custos, mas é adequado apenas para aços com grãos inerentemente finos e não para casos com concentrações muito altas de carbono na superfície.

Têmpera única

Após o resfriamento lento subsequente à cementação, a peça é reaquecida acima da temperatura crítica e apagadoSe os requisitos de resistência do núcleo forem elevados, a temperatura deve ser ligeiramente superior a A3. Para peças com baixa carga, mas com elevados requisitos de superfície, a temperatura é definida entre 30 e 50 °C acima de Ac1.

Têmpera dupla

A têmpera dupla é utilizada para peças com elevadas exigências mecânicas ou para aquelas fabricadas com aços de grão grosseiro. A primeira têmpera (acima de A3 + 30–50 °C) melhora a estrutura do núcleo. A segunda têmpera (acima de Ac1 + 30–50 °C) refina a estrutura da superfície para obter martensita fina e carbonetos secundários granulares.

As peças cementadas são revenidas a 150–250 °C após a têmpera. Para aços não ligados, uma temperatura de 150–180 °C é típica; para aços ligados, utiliza-se uma temperatura de 160–200 °C. Após a têmpera e o revenido a baixa temperatura, a dureza superficial pode atingir 58–64 HRC com excelente resistência ao desgaste, enquanto o núcleo permanece tenaz. A tensão compressiva formada na superfície também melhora a resistência à fadiga.

Desempenho das peças cementadas

A microestrutura da superfície após o resfriamento rápido é composta principalmente de martensita de alta dureza, além de austenita retida e pequenas quantidades de carbonetos. O núcleo é formado por martensita de baixo carbono (a presença de ferrita deve ser evitada). A espessura típica das camadas varia de 0.8 a 1.2 mm, podendo ultrapassar 2 mm em casos de cementação profunda. A dureza superficial atinge 58–63 HRC, e a dureza do núcleo, 30–42 HRC. A cementação aumenta efetivamente a resistência mecânica, a tenacidade ao impacto e a resistência ao desgaste, prolongando assim a vida útil da peça.

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