Carburização - o método mais popular de cementação

A carburação (também conhecida como carbonização ou carbonização, e menos comum como cementação ou acierização) é o método mais usado para endurecer aço. Este artigo fala sobre os princípios básicos, o processo de carburação, os graus de atmosferas de carburação e os fatores que influenciam os resultados finais.

Como a superfície é endurecida

A carburação é um tratamento termoquímico superficial que enriquece a camada externa do aço de baixo carbono com carbono. O objetivo é produzir uma superfície dura e resistente ao desgaste, mantendo um núcleo resistente e resistente ao impacto. Por esse motivo, o componente é normalmente temperado após a carburação. A camada carburizada torna-se dura, enquanto o núcleo permanece relativamente macio.

O carbono é transferido do gás circundante para o aço por adsorção e, em seguida, difunde-se mais profundamente no metal através do processo de difusão.

A adsorção refere-se ao processo pelo qual átomos livres de um gás ou líquido se depositam na superfície de um sólido, formando uma camada com apenas um átomo de espessura.

A difusão é um processo ativado pelo calor que distribui átomos dentro da estrutura da rede do metal, impulsionado por diferenças de concentração. Para que a difusão ocorra, o elemento saturante deve ser solúvel no estado sólido do metal base. A velocidade e a extensão da difusão dependem da temperatura, do tempo e do gradiente de concentração. Existem vários mecanismos de difusão; na carburação, a difusão intersticial é fundamental - os átomos de carbono movem-se através dos espaços entre os átomos de ferro na estrutura cristalina. A difusão ocorre mais facilmente ao longo da superfície, menos facilmente ao longo dos limites dos grãos e menos eficientemente dentro dos próprios grãos.

Após a carburação, os componentes normalmente passam por um endurecimento seguido de um revenimento a baixa temperatura. O resultado é uma superfície extremamente dura e resistente ao desgaste e à abrasão, combinada com um núcleo dúctil capaz de suportar cargas dinâmicas. A carburação é, portanto, comumente usada para peças de máquinas de aço, como engrenagens, eixos estriados, eixos de engrenagem, eixos de comando, pinos, anéis, buchas e eixos de rolamentos.

Graus e métodos de carburação

Existem vários métodos de carburação.

A carburação em caixa (ou carburação em caixa) é o método mais antigo de carburação. Consiste em colocar as peças numa caixa cheia de pó de carvão vegetal, saturada com carbonatos (geralmente de bário e sódio), e aquecê-la até à temperatura de carburação. O monóxido de carbono é gerado na caixa e, após a dissociação, libera partículas de carbono que se difundem no aço. Esse método é barato e simples, mas não produz resultados repetíveis. O carvão vegetal na caixa é consumido durante o processo, o que enfraquece o efeito de carburação de forma descontrolada. Além disso, esse método é difícil de automatizar. A carburação a gás evita esses problemas. Uma variação interessante é a carburação usando pastas que contêm, por exemplo, 50% de fuligem, 20% de carbonato de bário, 20% de carbonato de sódio e 10% de ferrocianeto de potássio, ou 50% de fuligem, 40% de carbonato de sódio e 10% de ferrocromo, ligados com melaço. Essa abordagem permite que camadas carbonizadas sejam criadas em superfícies selecionadas da peça de trabalho.

A cementação a gás (ou processo de hipercarburação) é atualmente o método mais popular de cementação. A forma mais antiga de cementação a gás envolvia colocar peças numa câmara de forno com querosene, benzeno ou pirobenzeno. À temperatura de cementação, o líquido evaporava e decompunha-se em componentes gasosos. No entanto, a atmosfera resultante muitas vezes causava uma concentração excessivamente alta de carbono na camada superficial e oferecia controle limitado. Um avanço desse método envolve a introdução de dois líquidos com diferentes propriedades de carburação no forno. Ao alterar as suas proporções, o processo pode ser regulado com precisão.

A carburação em sais fundidos (ou carburação líquida) é realizada mergulhando as peças em sais fundidos - misturas de carbonatos, cloretos ou cianetos de metais alcalinos - a 830–850 °C. As misturas típicas contêm:

• 47,5% de carbonato de sódio, 47,5% de cloreto de potássio, 5% de carboneto de cálcio ou
• 60% de carbonato de sódio, 5% de carbonato de bário, 20% de cloreto de sódio, 15% de carboneto de silício.

 

Carburização em leitos fluidizados - um pó neutro (areia ou alumina) é mantido em suspensão por um gás saturado quente que flui para cima através do leito, conferindo ao pó propriedades semelhantes às de um líquido. O aço é colocado no pó semelhante a um líquido e carburizado pelo gás.

A carburização a vácuo é realizada a pressão reduzida numa atmosfera de metano, propano e outros gases. Esses gases decompõem-se, libertando carbono atómico, que então penetra no aço. A carburação a vácuo garante uma melhor adsorção de carbono da atmosfera, menor consumo de gás e menor tempo de processamento.

A carburação por plasma (carburação iónica) envolve o aquecimento do aço num forno a vácuo, aplicando simultaneamente uma alta tensão CC entre a peça de trabalho (o cátodo) e o ânodo. Isso cria uma descarga luminescente e plasma, que ativa a formação de iões de carbono. Os iões são acelerados no campo elétrico próximo à peça e bombardeiam a sua superfície, aumentando significativamente a penetração do carbono no metal. Este método proporciona alta eficiência e controle preciso da espessura e estrutura da camada.

Apesar do desenvolvimento de métodos modernos de carburação, por razões económicas e práticas, a carburação a gás continua sendo o grau mais comumente usado. Portanto, o restante do artigo se concentrará principalmente neste método.

 

Estrutura, camadas e propriedades dos componentes cementados

No aço após a cementação, dá para ver as seguintes camadas:

• Camada superficial ou camada cementada contendo:
  • camada superficial,
  • camada de transição,
• Núcleo.

A composição química e o tratamento térmico após a cementação permitem diferentes microestruturas dentro dessas camadas.

Carburização seguida de arrefecimento lento - a camada superficial tem uma estrutura perlítica e podem formar-se carbonetos na zona próxima da superfície devido à precipitação durante o arrefecimento. A camada de transição é uma mistura de perlite e ferrite, com a quantidade de perlite a diminuir e a ferrite a aumentar com a profundidade. O núcleo contém ferrite e perlite, mas com um teor mais elevado de ferrite. Mesmo com a mesma espessura da camada superficial, a espessura da camada de transição pode variar. Os aços-liga após carburação e arrefecimento lento podem ter a mesma estrutura descrita acima, mas a camada carbonizada também pode conter bainita ou uma mistura de bainita e martensita, enquanto o núcleo pode conter bainita e ferrite. No entanto, como os componentes são geralmente temperados após a carburação, em vez de arrefecidos lentamente, as estruturas formadas após o arrefecimento lento têm pouca importância prática.

Carburização seguida de têmpera - a camada carburizada superficial tem uma estrutura martensítica dura. Em ligas de aço, pode haver austenita retida macia indesejada, bem como carbonetos. A quantidade de austenita retida e carbonetos depende da composição química da liga, da concentração de carbono na camada e do método de têmpera. A zona de transição pode conter bainita e martensita, ou apenas bainita (em ligas de aço com grandes secções transversais, por vezes bainita com ferrite), com o teor de martensita a diminuir com a profundidade. O núcleo tem uma estrutura bainítica. O arrefecimento direto e único produz grãos finos, enquanto o arrefecimento com sub-resfriamento resulta em estruturas de grãos grossos.

Graus de aço para cementação

Os graus de aço para cementação incluem aços carbono e ligados com baixo teor de carbono, variando de 0,10 a 0,25%. Os graus de aço para cementação são classificados em vários grupos principais com base nos elementos de liga. A composição química influencia significativamente as propriedades exigidas tanto do núcleo quanto da camada superficial.

Os aços carbono têm baixa temperabilidade e, portanto, baixas propriedades do núcleo, mesmo com secções transversais pequenas. A camada externa é dura e resistente ao desgaste, mas o núcleo tem resistência limitada a cargas dinâmicas. A principal vantagem é o baixo custo. Os aços carbono são usados para componentes menos críticos. Exemplos: 1.1121, 1.1141, 1.1151.

Os aços cromados têm de 0,7 a 1,0% de cromo e são um pouco mais endurecíveis do que os aços carbono, mas ainda assim são geralmente usados em peças com cargas leves. Aumentar ainda mais o teor de cromo melhoraria a endurecibilidade, mas também aumentaria o risco de problemas relacionados à carburação, como carburação excessiva e oxidação interna. As vantagens dos aços cromados incluem baixo custo e baixo teor de austenita retida na camada carburizada (alta dureza). Exemplos de graus incluem 17Cr3 e 20Cr4.

Os aços cromo-manganês têm melhor temperabilidade do que os aços cromo, porque o manganês reduz a taxa crítica de arrefecimento. Por isso, os aços cromo-manganês são bons para peças com secção transversal maior e carga moderada. Mas, o manganês faz com que haja excesso de carburação e oxidação interna e diminui a temperatura de transformação martensítica, aumentando a quantidade de austenite retida na camada carburada, o que reduz a resistência ao desgaste. Exemplos de classes incluem 16MnCr5, 20TiMnCr12.

Os aços cromo-manganês-molibdénio têm menos manganês e mais molibdénio, o que dá uma temperabilidade parecida com a dos aços cromo-manganês, mas com menos oxidação interna e menos austenite retida na camada cementada. Um exemplo de grau é 18CrMo4.

Os aços cromo-níquel têm de 1,4 a 3,2% de níquel, o que aumenta bastante a capacidade de cementação em comparação com os aços sem níquel e melhora a ductilidade do núcleo. Esses aços são bons para peças com cargas pesadas e seções transversais grandes. Os tipos de alto desempenho têm mais cromo, já que o níquel diminui os efeitos negativos do cromo mais alto. No entanto, esses aços têm altos níveis de austenita retida na camada superficial, reduzindo a dureza e a resistência ao desgaste. Além disso, o níquel é bastante caro. Exemplos de graus incluem 17CrNi6-6 / 1.5918, 16NiCrS4 / 1.5715, 18CrNi8 / 1.5920, e 18NiCr5-4 / 1.5810.

Os aços cromo-níquel-molibdénio têm uma temperabilidade ligeiramente inferior à dos aços cromo-níquel e, portanto, uma resistência à carga inferior, mas ainda assim significativamente melhor do que os aços sem níquel. Os aditivos de molibdénio/manganês reduzem a quantidade de austenite retida, aumentando a dureza e a resistência ao desgaste da camada cementada. Exemplos de graus incluem 18NiCrMo7 ou 18H2N4WA.

A maioria dos tipos de aço de cementação avançados são os de cromo-molibdénio e cromo-níquel-molibdénio.

Temperatura e duração da cementação a gás

A temperatura para a cementação a gás é de 850–950 °C, mais comumente 900–920 °C. A essas temperaturas, a solubilidade do carbono na austenita é alta o suficiente para atingir uma concentração de carbono na superfície de 0,7 a 1,0% sem precipitação de carboneto. Tanto o aumento da temperatura quanto o prolongamento do tempo de carburação resultam em uma camada carbonizada mais espessa. No entanto, o tempo de carburação tem maior impacto durante as primeiras horas do processo, e sua influência diminui a cada hora que passa. Portanto, na prática, uma camada mais espessa é normalmente obtida usando temperaturas mais altas. Por exemplo, para obter uma camada carbonizada com 1,5 mm de espessura a 900 °C, são necessárias 10 horas de carbonetação, enquanto a 950 °C, são necessárias apenas 4 horas — uma economia de tempo de 6 horas. Para uma camada com 2,5 mm de espessura, a economia de tempo seria de 8 horas neste caso.

Em geral, a carbonetação acima de 950 °C não é recomendada devido ao crescimento dos grãos. No entanto, no caso de ligas de aço com grandes secções transversais que requerem camadas carbonizadas espessas, o aumento da temperatura pode reduzir o processo em mais da metade e pode ser justificado. Os elementos de liga que limitam o crescimento dos grãos incluem, por exemplo, 0,02-0,04% de Al e 0,01% de N. O crómio e o molibdénio, que são adicionados para aumentar a temperabilidade, também inibem o crescimento dos grãos durante a cementação. Em temperaturas acima de 1000 °C, o crescimento dos grãos pode ser controlado pela adição de 0,045% de Nb, 0,01% de Ti, pelo menos 0,017% de N e mais de 0,03% de Al.

Atmosferas de carburação na carburação a gás

Os principais gases de carburação são o monóxido de carbono (CO) e os hidrocarbonetos C_nH_2n+2 ou C_nH_2n. Sob alta temperatura e a ação catalítica do ferro, esses gases se dissociam, liberando átomos de carbono livres:

2 CO → CO₂ + C

C_nH_2n+2 → (2n+2)H + nC

C_nH_2n → 2nH + nC

Os átomos de carbono livres são super ativos quimicamente e são absorvidos pelo aço. Mas, se a superfície do aço não consegue absorver o carbono liberado rápido o suficiente, o carbono livre fica na superfície na forma de fuligem, o que atrapalha o resto do processo de cementação. Por isso, controlar a composição do gás e outros parâmetros do processo é super importante.

Quatro atmosferas de carburação a gás são mais comumente usadas na indústria - duas derivadas de gases combustíveis (endotérmicas enriquecidas) e duas de compostos orgânicos líquidos por decomposição ou conversão:

• Atmosfera endotérmica enriquecida a partir de gás natural (0,4% de CO₂; 20,8% de CO; 0,5% de CH₄; 41,8% de H₂; 36,5% de N₂),
• Atmosfera endotérmica enriquecida a partir do propano (0,5% de CO₂; 24,0% de CO; 0,5% de CH₄; 32,2% de H₂; 42,8% de N₂),
• A partir da decomposição do metanol com acetato de etilo (0,48% de CO₂; 32,4% de CO; 0,9% de CH₄; 65,9% de H₂; 0% N₂),
• A partir da conversão de acetona com água (0,8% CO₂; 34,2% CO; 1,7% CH₄; 62,9% H₂; 0% N₂).

As atmosferas endotérmicas são mais baratas, mas as derivadas de compostos orgânicos têm um potencial de carbono mais elevado.

Carburização com potencial de carbono constante e variável da atmosfera de carburização

Um processo de carburização bem-sucedido requer a manutenção de um potencial de carbono adequado na atmosfera de carburização. O potencial de carbono da atmosfera de carburização é a sua capacidade de fornecer carbono à superfície do aço. Uma atmosfera com potencial de carbono muito baixo não carburará o aço de forma eficaz e poderá até descarburizá-lo. Uma atmosfera com potencial de carbono muito alto resultará na formação de fuligem, o que dificulta a continuação da carburação. À medida que a carburação avança, o potencial de carbono da atmosfera muda - inicialmente cai acentuadamente, porque o aço parcialmente carburizado se torna menos capaz de absorver carbono, mas pode aumentar posteriormente se a fuligem liberada anteriormente nas partes mais frias do forno for reabsorvida pela atmosfera.

É possível buscar um potencial de carbono constante ou variável na atmosfera de carburação. Em ambos os casos, a atmosfera é regulada ao longo do tempo.

Carburação com potencial de carbono constante - nesse método, o fluxo da atmosfera é controlado para manter um potencial de carbono relativamente estável. Uma sequência típica pode ser:

• Hora 1 - alta taxa de fluxo, a fuligem se forma nas partes mais frias do forno
• Hora 2 - baixa taxa de fluxo, a fuligem é reabsorvida pela atmosfera
• A partir da hora 3 – aumento do fluxo novamente, mas não tão alto quanto no início; a reserva de fuligem foi esgotada, então o fluxo é aumentado para manter um potencial de carbono constante

Na carburação com potencial de carbono constante, o potencial é geralmente de 0,8 a 1,0% de C. A carburação com potencial variável atinge valores mais altos.

A carburação com potencial de carbono variável é realizada em duas fases. Na primeira fase, a atmosfera tem o potencial de carbono mais alto possível que permite que a espessura da camada desejada seja alcançada no menor tempo possível. No entanto, essa atmosfera causa concentração excessiva de carbono na camada. Portanto, na segunda fase, é usada uma atmosfera com um potencial de carbono mais baixo - que corresponde à concentração ideal de carbono na superfície da camada.

Existe também um método de cementação com uma atmosfera de potencial de carbono definido sem controlar o fluxo. No entanto, a repetibilidade dos resultados é insatisfatória, pelo que este método deve ser limitado a casos de produção de baixa responsabilidade.

Cementação passo a passo

O processo de cementação a gás consiste nas seguintes etapas:

1. Limpeza do forno - envolve purgar o ar do forno e reduzir os óxidos formados durante o aquecimento. Ignorar esta etapa pode levar à oxidação em vez da cementação no início do processo.
2. Preparação da carga - inclui organizar as peças na carga, limpar as suas superfícies e, em alguns casos, mascarar áreas específicas para evitar a cementação.
3. Aquecimento - o tempo de aquecimento depende do tamanho e da massa da carga. Durante esta fase, a atmosfera de cementação ainda não é introduzida para evitar a formação de fuligem em temperaturas mais baixas.
4. Carburização - a atmosfera de carburização é introduzida no forno e o processo é realizado usando um potencial de carbono constante ou variável, conforme descrito anteriormente.
5. Arrefecimento/temperagem – as peças são arrefecidas gradualmente ou rapidamente, dependendo das propriedades desejadas. Esta etapa é discutida em mais detalhes abaixo.

Temperagem após a carburização

Existem vários métodos de temperagem usados após a carburização. A escolha depende das restrições tecnológicas e das propriedades exigidas da camada e do núcleo cementados.

O resfriamento direto envolve o resfriamento rápido (temperagem) da carga diretamente da temperatura de cementação. Esse é o método mais simples, rápido e econômico. Ele também preserva a concentração de carbono na superfície e reduz o risco de distorção devido ao menor número de ciclos de aquecimento e resfriamento. No entanto, a temperagem a partir de altas temperaturas promove o crescimento dos grãos e degrada as propriedades mecânicas, conforme descrito neste artigo. Também aumenta a austenite retida em ligas de aço com alto teor de carbono na superfície. Esse método é ideal para peças com requisitos de baixo desempenho e funciona melhor com aços de grão fino.

A têmpera com arrefecimento envolve reduzir a temperatura da carga da faixa de carburação (850–950 °C) para a faixa ideal de endurecimento (780–850 °C), seguida de imersão num banho de arrefecimento. A necessidade de arrefecer todo o forno prolonga o processo. No entanto, esse método ajuda a evitar o crescimento dos grãos e oferece melhor proteção contra distorções. É fundamental selecionar a temperatura correta de têmpera. Em alguns aços, por exemplo, a 790 °C, a austenita do núcleo pode se transformar em ferrita, que não se converte em bainita durante a têmpera, levando a propriedades mecânicas inferiores.

A têmpera com transformação perlitica envolve o arrefecimento da carga após a cementação a 600–650 °C, mantendo-a nessa temperatura até que a transformação perlitica esteja completa, depois reaquecendo a 780–850 °C e têmperando após a equalização da temperatura. Essa abordagem permite a formação de uma estrutura martensítica de agulhas finas em aços de grão grosso.

O endurecimento único envolve o arrefecimento lento da carga após a carburação, seguido pelo reaquecimento a 780–850 °C e subsequente têmpera. Este método implica perda de tempo e consumo adicional de energia devido ao reaquecimento. Além disso, o arrefecimento lento pode causar precipitação de carboneto na camada superficial e formação de ferrite no núcleo. O endurecimento único é usado quando é necessária usinagem entre a carburação e a têmpera, ou quando a têmpera direta não é viável.

O endurecimento duplo combina o arrefecimento direto e único - primeiro arrefecimento a partir da temperatura de carburação, depois reaquecimento a 780–850 °C e arrefecimento novamente. Este método é mais eficaz do que o arrefecimento único, pois elimina o risco de formação de carboneto ou ferrite. No entanto, apresenta um risco maior de distorção devido ao processo de arrefecimento repetido.