Cementação Explicada: Definição, Tipos e Processo Por Trás do Endurecimento do Aço

O Que É Cementação?

A cementação é um processo de têmpera de superfície no qual o carbono difunde na camada superficial de uma peça de aço a uma temperatura alta o suficiente para mudar a estrutura de grão do aço. Esta mudança permite que o aço absorva carbono. O resultado é uma camada resistente ao desgaste que torna a cementação um processo ideal na produção de metais fortes e seguros.

A cementação é um processo de tratamento térmico no qual o ferro ou aço absorve carbono enquanto o metal é aquecido na presença de um material portador de carbono, como carvão vegetal ou monóxido de carbono. A intenção é tornar o metal mais duro.

Dependendo da quantidade de tempo e temperatura, a área afetada pode variar em teor de carbono. Tempos de cementação mais longos e temperaturas mais altas normalmente aumentam a profundidade de difusão do carbono.

Quando o ferro ou aço é resfriado rapidamente por têmpera, o maior teor de carbono na superfície externa torna-se duro devido à transformação de austenita para martensita, enquanto o núcleo permanece macio e tenaz como uma microestrutura ferrítica e/ou perlítica.

Este processo de fabricação pode ser caracterizado pelos seguintes pontos-chave:

• É aplicado a peças de trabalho de baixo carbono;
• As peças de trabalho estão em contato com um gás, líquido ou sólido de alto carbono;
• Produz uma superfície de peça de trabalho dura; os núcleos das peças de trabalho mantêm amplamente sua tenacidade e ductilidade, e
• Produz profundidades de dureza de caixa de até 6,4 mm (0,25 polegadas).

Em alguns casos, serve como remédio para descarbonetação indesejada que aconteceu anteriormente em um processo de fabricação.

Método de Cementação

A cementação do aço envolve tratamento térmico da superfície metálica usando uma fonte de carbono. A cementação pode ser usada para aumentar a dureza superficial de aço de baixo carbono. A cementação antiga usava aplicação direta de carvão vegetal embalado ao redor da amostra a ser tratada, mas técnicas modernas usam gases portadores de carbono ou plasmas.

O processo depende principalmente da composição do gás ambiente e da temperatura do forno, que devem ser cuidadosamente controlados, pois o calor também pode impactar a microestrutura do restante do material. Para aplicações onde grande controle sobre a composição do gás é desejado, a cementação pode ocorrer sob pressões muito baixas em uma câmara de vácuo.

A cementação por plasma é cada vez mais usada para melhorar as características superficiais de vários metais, notadamente aço inoxidável. O processo é ambientalmente amigável. Também fornece um tratamento uniforme de componentes com geometria complexa, tornando-o muito flexível em termos de tratamento de componentes.

O processo de cementação funciona via difusão de átomos de carbono nas camadas superficiais do metal. Como os metais são compostos de átomos ligados firmemente em uma rede cristalina metálica, os átomos de carbono difundem na estrutura cristalina do metal e permanecem em solução ou reagem com elementos no metal hospedeiro para formar carbonetos.

Se o carbono permanece em solução sólida, o aço é então tratado termicamente para endurecê-lo. Ambos os mecanismos fortalecem a superfície do metal, o primeiro formando perlita ou martensita, e o último via formação de carbonetos. Ambos os materiais são duros e resistem à abrasão.

A cementação a gás é normalmente realizada a uma temperatura na faixa de 900 a 950 °C.

Na soldagem oxi-acetilênica, uma chama carburizante é aquela com pouco oxigênio, que produz uma chama fuliginosa de temperatura mais baixa. É frequentemente usada para recozimento de metal, tornando-o mais maleável e flexível durante o processo de soldagem.

Tipos de Cementação

No passado, dependendo da fonte de carbono, havia três tipos de métodos de cementação: cementação sólida, cementação líquida e cementação a gás. Carvão vegetal, sal fundido e gases contendo carbono, como gás natural e propano, são usados respectivamente.

Existem três tipos de cementação comumente usados:

• Cementação a gás
• Cementação líquida
• Cementação sólida

Todos os três processos são baseados na transformação de austenita em martensita durante a têmpera. O aumento no teor de carbono na superfície deve ser alto o suficiente para resultar em uma camada martensítica com dureza suficiente, tipicamente 700 HV, para fornecer uma superfície resistente ao desgaste.

O teor de carbono necessário na superfície após a difusão é geralmente 0,8 a 1,0% C. Esses processos podem ser realizados em uma variedade de aços carbono, aços liga e ferros fundidos, nos quais o teor de carbono na massa é no máximo 0,4% e geralmente menos que 0,25%. Tratamento térmico incorreto pode levar a oxidação ou descarbonetação.

Embora seja um processo relativamente lento, a cementação pode ser usada como processo contínuo e é adequada para endurecimento superficial de alto volume.

1. Cementação a Gás

Na cementação a gás, envolve aquecer aço carbono à temperatura de austenitização na presença de uma atmosfera rica em carbono. É comum usar um gás transportador, como gás endogênico ("Endo") junto com enriquecimento de hidrocarboneto (gás natural ou propano).

O componente é mantido em um forno que contém uma atmosfera de metano ou propano com um gás transportador neutro, geralmente uma mistura de N₂, CO, CO₂, H₂ e CH₄. Na temperatura de cementação, o metano (ou propano) decompõe-se na superfície do componente em carbono atômico e hidrogênio, com o carbono difundindo na superfície.

A temperatura é tipicamente 925 °C e os tempos de cementação variam de 2 horas para uma carcaça com profundidade de 1 mm a um máximo de 36 horas para uma carcaça com profundidade de 4 mm. O meio de têmpera é geralmente óleo, mas pode ser água, salina, soda cáustica ou polímero.

2. Cementação a Vácuo

Este processo de cementação envolve um ambiente de baixa pressão, livre de oxigênio. Este processo usa hidrocarbonetos gasosos como metano. Como o ambiente é livre de oxigênio, a temperatura de cementação pode ser aumentada sem se preocupar com oxidação. Quanto maior a temperatura, maior a solubilidade e taxa de difusão do carbono, o que minimiza o tempo necessário para a profundidade da caixa.

3. Cementação Líquida

A cementação líquida é um processo usado para têmpera de caixa de peças de aço ou ferro. As peças são mantidas a uma temperatura acima de Ac1 em um sal fundido que introduz carbono e nitrogênio, ou apenas carbono, no metal. A maioria dos banhos de cementação líquida contém cianeto, que introduz tanto carbono quanto nitrogênio na caixa.

Líquidos ou cianetos são cementados colocando o componente em um banho de sal a uma temperatura de 845 a 955 °C. O sal é geralmente uma mistura de cianeto-cloreto-carbonato e é altamente tóxico. Os sais de cianeto introduzem uma pequena quantidade de nitrogênio na superfície, o que melhora ainda mais sua dureza. Embora seja o processo de cementação mais rápido, é apenas adequado para pequenos lotes.

4. Cementação Sólida (Cementação por Embalagem)

Na cementação sólida ou por embalagem, é um processo no qual o monóxido de carbono derivado de um composto sólido se decompõe na superfície do metal em carbono nascente e dióxido de carbono. Recipientes de cementação são feitos de aço carbono, aço carbono revestido de alumínio ou ligas de ferro-níquel-cromo resistentes ao calor.

Os componentes são cercados por um meio de cementação e colocados em uma caixa selada. O meio é geralmente coque ou carvão vegetal misturado com carbonato de bário. O processo é realmente um processo de cementação a gás, pois o CO produzido se dissocia em CO₂ e carbono que difundem na superfície dos componentes.

Temperaturas são tipicamente 790 a 845 °C por tempos de 2 a 36 horas. A cementação por embalagem é o processo de cementação menos sofisticado e, portanto, permanece um método amplamente usado.

Carbonitretação

A carbonitretação é realizada em uma seção similar de aço, embora o teor de carbono em massa possa ser 0,4-0,5%. O método é particularmente adequado para endurecer a superfície de componentes que requerem um núcleo endurecido, como engrenagens e eixos.

A carbonitretação é uma modificação da cementação a gás na qual amônia é adicionada ao metano ou propano e é a fonte de nitrogênio.

Perguntas Frequentes

O Que É Cementação?

A cementação é um caso do processo de endurecimento no qual o carbono difunde na camada superficial de uma peça de aço a uma temperatura alta o suficiente para mudar a estrutura de grão do aço. Esta mudança permite que o aço absorva carbono.

O Que É o Processo de Cementação?

A cementação é um processo termoquímico no qual o carbono é difundido na superfície de aços de baixo carbono para aumentar o teor de carbono a níveis suficientes para que a superfície responda ao tratamento térmico e produza uma camada dura e resistente ao desgaste. Existem três tipos de cementação comumente usados: cementação a gás.

Quais São os Três Tipos de Cementação?

Historicamente, existem três tipos de métodos de cementação dependendo da fonte de carbono: cementação sólida, cementação líquida e cementação a gás. Carvão vegetal, sal fundido e gases portadores de carbono, como gás natural e propano, são usados correspondentemente.

Quais São os Tipos de Cementação?

Tipos de Cementação

• Cementação por Embalagem
• Cementação a Gás
• Cementação a Vácuo
• Cementação Líquida

Qual É o Propósito da Cementação?

O propósito deste processo é tornar o metal mais duro e mais manejável. A dureza do aço com baixo teor de carbono pode ser aumentada através da adição de carbono sob uma certa forma de tratamento térmico. Quando realizada com sucesso, pode melhorar a dureza superficial do aço.

Por Que a Cementação É Feita Para O Aço?

A cementação aumenta a resistência e a resistência ao desgaste difundindo carbono na superfície do aço criando uma caixa enquanto mantém uma dureza substancialmente menor no núcleo. Este tratamento é aplicado a peças de aço de baixo carbono após usinagem, bem como mancais, engrenagens e outros componentes de aço de alta liga.

O Que É Cementação E Nitretação?

Nitretação e cementação são as duas práticas mais comuns de tratamento térmico para endurecimento superficial de componentes funcionais. A principal diferença é que na nitretação, átomos de nitrogênio são feitos para difundir na superfície das peças sendo processadas, enquanto na cementação, carbono é usado.

Qual É a Diferença Entre Endurecimento de Caixa e Cementação?

Endurecimento de caixa é o processo de endurecer apenas a superfície da peça. Também é conhecido como cementação. No processo de cementação, o componente de baixo carbono é colocado em um forno que contém uma atmosfera de carbono cuidadosamente controlada.

Qual É a Temperatura de Cementação?

Os fornos de cementação são a gás ou eletricamente aquecidos. A temperatura de cementação varia de 870 a 940 °C; a atmosfera de gás para cementação é produzida a partir de hidrocarbonetos líquidos ou gasosos como propano, butano ou metano.

O Que É Cementação Líquida?

A cementação líquida é um processo geralmente usado para peças pequenas e médias. No banho de sal, o carbono a ser difundido na peça vem de um sal fundido que é uma mistura de cianeto de sódio (NaCN) e cloreto de bário (BaCl₂).

Que Aço Pode Ser Cementado?

A microestrutura do núcleo não será alterada durante este processamento de baixa temperatura. Embora a cementação seja usada principalmente para aços de baixo carbono e aços de baixa liga, a nitretação é usada para aços de baixo carbono, aços liga, aços ferramenta e aços inoxidáveis. Aços nitretados podem ter resistência ao desgaste e dureza superiores.

Quais São Dois Passos Para Cementação?

Embora a cementação atmosférica consista em várias etapas do processo, pode ser simplificada para incluir dois processos principais: geração de carbono no forno e difusão de carbono na peça de trabalho. O primeiro fornece átomos de carbono enquanto o último determina o gradiente de concentração de carbono.

Por Que BaCO₃ É Adicionado No Cementador Sólido?

"O processo de cementação é frequentemente feito para endurecer a superfície da engrenagem e do came ou came (Malau, V., 1999)". Para acelerar a penetração de carbono no espécime durante o processo de cementação, é necessário adicionar outros elementos como BaCO₃, NaCO₃ e outros.

Qual Dos Seguintes Gases É Usado Para Cementação a Gás?

Cementação a gás, incluindo um processo de carbonitretação ou nitretação a gás envolvendo o uso de gás amônia (NH₃), que produz nitrogênio nascente que entra na caixa do aço e aumenta a dureza.

Que Metais Podem Ser Nitretados?

Alumínio, cromo, molibdênio, titânio, tungstênio e vanádio combinam facilmente com nitrogênio em altas temperaturas para formar nitretos dos respectivos metais. Ligas de aço de baixo carbono contendo esses metais são tipicamente bons candidatos para nitretação.

Qual É a Diferença Entre Cementação e Carbonitretação?

A diferença chave entre cementação e carbonitretação é que a cementação é o processo de endurecer uma superfície de aço usando carbono, enquanto a carbonitretação é o processo de endurecer uma superfície de aço usando carbono e nitrogênio.

Tratamento Térmico É Necessário Após Cementação?

O componente pode ser têmperado a partir da temperatura de cementação ou pode ser reaquecido à temperatura de austenitização apropriada e têmperado. Têmpera direta é menos demorada e barata, mas não é possível na prática de cementação por embalagem. Assim, peças cementadas por embalagem são invariavelmente reaquecidas e têmperadas.

A Cementação Muda O Tamanho?

É virtualmente impossível ter uma peça de trabalho passar por cementação sem ter algumas mudanças dimensionais. A quantidade dessas mudanças varia baseada no tipo de material usado, no processo de cementação que o material passa e no tamanho e forma original da peça de trabalho.

O Que É Cementação Por Embalagem?

O método mais antigo de endurecimento de caixa, no qual os componentes eram embalados em uma caixa adequada, junto com materiais portadores de carbono como carvão vegetal, cascos, couro, gordura animal e chifre, e aquecidos à temperatura de cementação.

Que Tipo De Difusão É Cementação?

No processo de cementação, a difusão de carbono determina o gradiente de concentração de carbono e o perfil de dureza na caixa da peça de trabalho. Embora a cementação seja um processo complicado, pode ser dividida em duas etapas principais: geração de carbono no forno e difusão de carbono na peça de trabalho.

O Tratamento Térmico Encolhe O Metal?

Trabalho experimental foi feito em muitos materiais para mostrar os efeitos do tratamento térmico na mudança de tamanho. Os efeitos são diferentes para cada grau de material. Por exemplo, um cubo de 80 mm de aço ferramenta D-2 durante o endurecimento cresceu 0,08% em uma dimensão, enquanto encolheu nas outras duas dimensões.

Por Que O Endurecimento De Caixa Acontece?

Endurecimento de caixa é um método de processamento de material usado para aumentar a dureza da superfície externa de um metal. Como processos de endurecimento reduzem conformabilidade e usinabilidade, o endurecimento de caixa é tipicamente feito uma vez que a maioria dos outros processos de fabricação tenham sido concluídos.