Finalidade dos tratamentos térmicos

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Tratamentos Térmicos 
Uma Introdução 
 
Tratamentos Térmicos 
Finalidade dos tratamentos térmicos: 
 ajuste das propriedades mecânicas através de 
alterações da microestrutura do material. 
Objetivos: 
 
 alívio de tensões 
 controle da dureza e resistência mecânica 
 melhora da ductilidade 
 melhora da usinabilidade 
 melhora da conformabilidade 
 melhora da resistência ao desgaste 
 melhora da resistência à corrosão 
 
 
Ciclo geral de um tratamento térmico 
O ciclo geral de um processo de tratamento térmico consiste em: 
 - aquecimento na temperatura, 
 - manutenção na temperatura e 
 - resfriamento 
 
 
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a 
Tempo 
aquecimento 
permanência na 
temperatura 
resfriamento 
Ciclo geral de um tratamento térmico 
1.1. Aquecimento 
 O tempo de aquecimento é o tempo necessário desde o início do 
aquecimento até a obtenção da temperatura desejada na superfície 
da peça tratada. 
 A velocidade de aquecimento é a mudança da temperatura em 
função do tempo da superfície da peça. 
 
 O aquecimento de peças pode ser realizado de cinco maneiras: 
 
 
1.1. Aquecimento 
 t = temperatura do forno, 
 tp = temperatura da superfície da peça tratada 
 tj = temperatura do centro da peça 
 ( t = tp-tj). 
 t0 = temperatura prescrita de aquecimento 
1) as peças são colocadas no forno frio e 
se aquecem juntamente com o 
aumento da temperatura do forno: 
 a velocidade do aquecimento é 
baixa 
 os gradientes de temperatura são 
pequenos, 
 as tensões térmicas são 
pequenas, 
 a produtividade é baixa. 
1.1. Aquecimento 
 t = temperatura do forno, 
 tp = temperatura da superfície da peça tratada 
 tj = temperatura do centro da peça 
 ( t = tp-tj). 
 t0 = temperatura prescrita de aquecimento 
2) as peças são colocadas no forno 
mantido na temperatura constante 
(pode ser um pouco mais alta do que a 
temperatura prescrita). 
 este processo resulta em 
gradientes de temperatura e 
tensões térmicas maiores. 
1.1. Aquecimento 
 t = temperatura do forno, 
 tp = temperatura da superfície da peça tratada 
 tj = temperatura do centro da peça 
 ( t = tp-tj). 
 t0 = temperatura prescrita de aquecimento 
3) as peças são expostas a um aquecimento 
intensivo, colocando-as em um forno com 
temperatura significativamente mais alta do 
que a temperatura prescrita. 
 a temperatura da carga de peças 
aumenta rápido, sendo que para o seu 
aquecimento se aproveita também 
parte da energia térmica acumulada do 
forno. 
 usa-se para o aquecimento de peças 
em caso de tratamentos termo-
químicos (nitretação, cementação) 
1.1. Aquecimento 
 t = temperatura do forno, 
 tp = temperatura da superfície da peça tratada 
 tj = temperatura do centro da peça 
 ( t = tp-tj). 
 t0 = temperatura prescrita de aquecimento 
4) as peças são colocadas em fornos com 
temperatura constante e mais alta do que a 
temperatura prescrita. 
 a peça é retirada do forno quando a 
temperatura prescrita é atingida. 
 os gradientes de temperatura e as 
tensões térmicas neste caso são as 
mais altas. 
1.1. Aquecimento 
 t = temperatura do forno, 
 tp = temperatura da superfície da peça tratada 
 tj = temperatura do centro da peça 
 ( t = tp-tj). 
 t0 = temperatura prescrita de aquecimento 
5) aquecimento em estágios 
 se realiza em um meio até uma certa 
temperatura, 
 depois se transfere para outro meio 
com temperatura mais alta. 
 este método se aplica para materiais 
que são suscetíveis ao trincamento 
devido às tensões térmicas. 
1.1. Aquecimento 
Na fase de aquecimento os seguintes cuidados são 
essenciais: 
 
a) controle da velocidade de aquecimento 
 - gradiente de temperatura causa tensões de origem térmica e estrutural, 
então o aquecimento muito rápido, pode causar choque térmico e iniciar 
trincamento 
 Peças de ligas, que são suscetíveis ao trincamento devem ser colocados 
em forno preaquecido em temperatura mais baixa e em seguida a 
temperatura deve ser aumentada gradualmente. 
1.1. Aquecimento 
b) controle da distribuição da temperatura na carga e no forno 
 Quando se trata de cargas pequenas e fornos menores o controle do 
processo de aquecimento é menos exigente. 
 Em cargas superiores a 200t, devido à alta inércia do sistema ,é mais difícil 
obter uniformidade da temperatura através da carga toda. 
 Recomenda-se a utilização de vários termopares no meio da carga de modo 
a poder controlar melhor a distribuição da temperatura durante o ciclo todo. 
c) distribuição das peças no forno – as distâncias podem influenciar a 
transferência de calor por convecção e radiação. 
1.1. Aquecimento 
Meios de Aquecimento: 
 O meio de aquecimento pode ser: gasoso, líquido ou sólido. 
 O mais comum é aquecer as peças em atmosfera gasosa. 
 Atmosferas: 
 N2 (asfixiante) inerte 
 H2 (inflamável, asfixiante) redutor 
 CO (inflamável, tóxico) redutor / carbonetador 
 CO2 (tóxico, asfixiante) oxidante / descarbonetador 
 CH4 (inflamável, asfixiante) carbonetador 
1.1. Aquecimento 
Meios de Aquecimento: 
 Meios líquidos: garantem maior uniformidade de temperatura e uma 
capacidade maior de aquecimento 
 sais fundidos: BaCl2, NaCl, KCl, NaNO3, KNO3, etc. 
 metais líquidos: Al, Pb 
 
 O aquecimento em meios sólidos ( coque, cavacos de ferro fundido) 
tem a vantagem de uma maior velocidade de aquecimento do que 
nos meios gasosos. 
1.2. Permanência na temperatura 
 O tempo da permanência na temperatura depende: 
 - do material (condutividade térmica) 
 - da forma da peça 
 - das dimensões da peça 
 
 Tempo para uniformização de temperatura em peças de secção 
uniforme: pelo menos um minuto por milímetro de espessura. 
 (Esse tempo deve ser ampliado em função da forma da peça e 
quando o aço for ligado). 
 
 O tempo da permanência deve ser estabelecido para que: 
 - se possam realizar os processos de caráter difusivo: 
 - dissolução de carbetos, 
 - homogeneização da composição química 
 - ou diminuição das tensões internas. 
1.3. Resfriamento 
 O resfriamento a partir da temperatura do tratamento térmico tem 
uma grande influência na estrutura e nas propriedades do material 
processado. 
 
 Diferentes taxas de resfriamento podem ser obtidas: 
 
 - resfriamento no forno (taxas de resfriamento baixas) 
 
 - resfriamento no ar fora de forno sem ou com circulação forçada – 
taxas mais elevadas 
 
 - resfriamento por névoa (partículas de água suspensas em um gás) 
 
 - resfriamento por imersão em líquido (água, solução de sais em 
água, óleo, polímeros, banhos de sal, metal líquido) 
Como Escolher o Meio de Resfriamento ???? 
 É um compromisso entre: 
 
- Obtenção das caracterísitcas finais desejadas (microestruturas e 
propriedades), 
 
- Sem o aparecimento de fissuras e empenamento na peça, 
 
- Sem a geração de grande concentração de tensões 
 
 
 
 
 
Durante o tratamento térmico ocorrem mudanças dimensionais no 
aquecimento e resfriamento devido à expansão térmica. 
 
 
Tensões de origem térmica 
 
Durante o resfriamento, a superfície da peça resfria e contrai mais 
rapidamente que o seu núcleo; 
 
No momento em que a região superficial tornar-se rígida pelo 
resfriamento, ela irá opor-se a ulterior contração do núcleo e surgirão 
tensões internas apreciáveis; 
 
1.4 Tensões internas, empenamento 
 
 
1.4 Tensões internas, empenamento 
Tensões térmicas em uma peça cilíndrica durante resfriamento (sem 
transformação de fase) 
 
1.4 Tensões internas, empenamento 
 Tensões provenientes das transformações de fases 
 
 Em muitas ligas metálicas, particularmente nas ferrosas, as 
transformações de fases produzem variações de volume tanto mais 
sensíveis quanto mais drásticas as condições de resfriamento e 
mais complexas as formas das peças. 
Mudanças das tensões internas 
duranteo resfriamento de um 
cilindro de aço que sofre 
transformação martensítica 
 
1.4 Tensões internas, empenamento 
As mudanças dimensionais resultantes das tensões internas podem 
quando seu valor ultrapassar o limite elástico do material: 
 - levar ao empenamento das peças 
 - surgimento de trincas 
 
Para evitar um nível elevado de tensões: 
 - resfriar as peças a baixa velocidade, 
 o que nem sempre é possível, pois, na prática, o principal tratamento 
térmico das ligas ferrosas é a têmpera que exige velocidades de 
resfriamento elevadas. 
 
O projeto inadequado das peças como entalhes, mudanças bruscas das 
seções podem também levar ao empenamento e trincamento. 
 
 
 
1.5. Fornos 
 
Os fornos empregados para tratamentos térmicos podem ser classificados em 
dois grandes grupos: 
 
a) intermitentes 
b) contínuos 
 
1.5. Fornos 
 
 
Intermitentes: em que a carga entra periodicamente. 
Um forno intermitente básico normalmente consiste de uma câmara 
isolada, de uma casca de aço reforçada, de um sistema de 
aquecimento e de uma ou mais portas para carregamento. 
(Alguns dos tipos mais 
comuns: fornos de caixa, 
fornos de fundo móvel, 
fornos tipo sino, fornos 
poço, fornos de banho de 
sal ou de chumbo). 
 
 
1.5. Fornos 
 
 
Forno de batelada semicontínuo 
aquecido a gas. 
Forno de batelada para 
homogeneização de grandes cilindros. 
 
1.5. Fornos 
 
 Contínuos: em que a carga entra continuamente. 
 
Os componentes básicos de um forno contínuo são também a câmara, 
o sistema de aquecimento, portas de acesso. 
 
Os fornos contínuos mais usados incluem fornos com correia 
transportadora, fornos munidos de empurradores, fornos soleira móvel 
sobre roletes, fornos de soleira giratória, fornos túnel. 
Forno contínuo com correia. 
Controle da temperatura 
 
Controle da temperatura 
Os sensores mais usados são os de contato, como termopares (90 % de 
todos os sensores), e termômetros de resistência (mais precisos do que 
o termopar, mas também mais caros). 
Os termômetros sem 
contato (sensores de 
radiação) são os 
pirômetros que podem 
ser óticos ou 
detectores térmicos. 
O uso destes sensores 
é justificado quando a 
temperatura é alta 
demais para um 
sensor de contato, ou 
quando se exige uma 
resposta mais rápida. 
 
Recozimento 
 
Recozimento 
O recozimento é um tratamento térmico que elimina parcialmente ou 
totalmente, o afastamento do estado de equilíbrio originado com 
um tratamento térmico ou mecânico anterior, como deformação 
plástica, fundição, soldagem, tratamento térmico ou outros 
processos tecnológicos. 
 
 
Dependendo do grau de afastamento das condições de equilíbrio, se 
diferenciam os seguintes recozimentos: 
 
 Recozimento para homogeneização 
 Recozimento total ou pleno 
 Recozimento para recristalização 
 Recozimento para alívio de tensões 
Recozimento 
Recozimento é um termo genérico para as operações de tratamento 
térmico que consistem no AQUECIMENTO e manutenção em uma 
TEMPERATURA por TEMPO CONTROLADO, seguido de 
RESFRIAMENTO LENTO com o forno desligado; 
 
Os processos de recozimento, em geral, tem como objetivos: 
 Facilitar as operações de trabalho a frio e usinagem com a 
obtenção de máxima ductilidade. 
 Remover tensões resultantes dos processos de fundição e 
conformação mecânica a frio; 
 Diminuir a dureza para melhorar a ductilidade, ajustar o tamanho 
de grão, regularizar a textura bruta de fusão e 
 Equalizar a composição ao longo da peça. 
 
 
Recozimento 
O Recozimento também pode ser classificado em Pleno, Subcrítico e 
Intercrítico. 
 
Faixas Típicas para Recozimento Pleno, Subcrítico e Intercrítico 
 
 
Recozimento para Recristalização 
 Recozimento caracterizado pela permanência em 
temperatura dentro da faixa de recristalização, após 
deformação realizada abaixo dessa faixa. 
 
 Utiliza-se para peças deformadas plasticamente a frio, 
com a finalidade de reduzirem os seus limites de 
escoamento e de resistência. 
 
 
 
Recozimento para Recristalização 
A deformação a frio resulta em “encruamento” - aumento da dureza, 
resistência mecânica, resistência elétrica, e ao mesmo tempo, em 
redução da dutilidade. 
O trabalho a frio causa também um aumento significativo do número 
das discordâncias e certos planos cristalográficos são 
severamente distorcidos. 
A maior parte da energia da deformação plástica é dissipada em forma 
do calor, mas uma parte (~ 5%) é armazenada na estrutura do 
cristal como energia interna associada aos defeitos da rede 
cristalina formados durante a deformação. 
Essa energia armazenada atua como a força motriz para devolver ao 
sistema as condições normais da estrutura não deformada, desde 
que se criem condições cinéticas capazes de realizar esse 
processo. A barreira energética que impede essa volta à condição 
não deformada é ultrapassada pelo aquecimento do metal, a uma 
temperatura, durante um tempo determinado. 
 
 
 
Recozimento para Recristalização 
Em função da temperatura e do grau do trabalho ao frio o recozimento 
compreende três estágios principais: 
 - recuperação 
 - recristalização 
 - crescimento de grão. 
 
 
 
 
Recozimento para Recristalização 
RECUPERAÇÃO 
 estrutura dos grão não se altera (fenômenos se manifestam a nível 
de subestrutura) 
 propriedades mecânicas e físicas são parcialmente restauradas 
 baixas temperaturas → movimentação e eliminação de lacunas 
 altas temperaturas → rearranjo e aniquilação de discordâncias 
 O estágio de recuperação também é chamado de “Recozimento 
para Alívio de Tensões”. 
 
 
RECRISTALIZAÇÃO 
 alteração da estrutura dos grão 
 (substituição da estrutura trabalhada a frio por novos grãos livres 
de deformação) 
 propriedades mecânicas e físicas são restauradas (todos os efeitos 
do encruamento são eliminados) 
 
 
 
Recozimento para Recristalização 
A temperatura de recristalização é definida como a temperatura na 
qual o processo é completo durante uma hora. 
 
 
 
 
 
Temperatura da recristalização 
como função da porcentagem do 
trabalho a frio 
A recristalização é iniciada a uma 
temperatura mais baixa e se completa 
em uma faixa mais estreita das 
temperaturas, quando: 
 
 a deformação prévia tiver sido maior 
 o tamanho de grão original for 
menor; 
 o metal for mais puro; 
 
Existe uma “deformação crítica”, 
abaixo qual não ocorre recristalização 
Recozimento para Recristalização 
O tamanho de grão após a recristalização influencia a resistência 
mecânica, sendo favorável um tamanho de grão menor para 
altos valores de tensão de escoamento. O tamanho de grão do 
metal recristalizado será menor quanto: 
 
 menor a temperatura; 
 menor o tempo de aquecimento até a temperatura; 
 mais intenso o encruamento prévio; 
 maior a quantidade presente de partículas insolúveis ou mais 
 finamente dispersas elas estiverem. 
 
 
 
Recozimento para Recristalização 
CRESCIMENTO DE GRÃOS 
 
Após a recristalização se completar, a microestrutura de grãos 
recristalizados ainda não é a mais estável. A quantidade de 
contornos passa atuar como potencial termodinâmico para o 
crescimento de grão de modo a diminuir o número de grãos por 
unidade de volume ou, em outras palavras, diminuir a área total 
desses contornos. 
 
Os contornos de grão de alto ângulo representam um lugar com 
elevada desordem dos átomos o que significa um nível mais alto 
da energia. Isso significa, que depois da transformação do volume 
inteiro do material para grãos não deformados estes continuam a 
crescer, reduzindo assim a quantidade dos contornos dos grãos(e 
a energia interna do sistema). No entanto, o potencial 
termodinâmico para o crescimento de grão é cerca de duas ordens 
de grandeza menor que o potencial termodinâmico para a 
recristalização primária. 
 
 
 
 
 
Recozimentopara Recristalização 
 
 
 
 
Recozimento para Alívio de Tensões 
 (Subcrítico) 
 Não envolve a formação de Austenita 
 Aplicado com TEMPERATURAS inferiores a 
A1 (40 a 100ºC, abaixo de A1) 
 O objetivo é ALIVIAR as TENSÕES originadas durante a 
solidificação de peças fundidas ou produzidas em operações de 
conformação mecânica, corte, soldagem ou usinagem, RECUPERAR 
A DUCTILIDADE DO AÇO TRABALHADO A FRIO (ENCRUADO). 
Também é utilizado para ajustar o tamanho de grão e gerar 
COALESCIMENTO e aglomeração de carbonetos. 
 O mecanismo do processo de alívio de tensões é a movimentação de 
defeitos pontuais e discordâncias, induzida termicamente, que 
permite a remoção das deformações internas 
 O tratamento aplica-se a todas as ligas Fe-C, a ligas de Al, Cu e suas 
ligas, Ti e algumas de suas ligas, ligas de Mg, de Ni etc. 
 
 
 
Esferoidização 
 
 
Tratamento térmico que tem como objetivo MELHORAR a 
CONFORMABILIDADE a frio dos aços médio e alto C e MELHORAR 
a USINABILIDADE de aços hipereutetóides e aços ferramentas. 
 
Aços esferoidizados por operações de aquecimento e resfriamento 
produzem estruturas de CARBONETOS GLOBULARES em matriz 
ferrítica. 
 
MÉTODOS 
1.) Manutenção por tempo 
prolongado à temperatura pouco 
abaixo da crítica (≅ 40 horas); 
 
2.) Aquecimento e resfriamento 
alternantes entre 2 temperaturas acima 
e abaixo da crítica ( ≅ 25 a 50°C); 
Esferoidização 
 
 
3.) Aquecer acima da temperatura para 
dissolução dos carbonetos (Acm), seguido de 
resfriamento rápido (para evitar formação de 
rede de carbonetos) até temperatura pouco 
abaixo de A1. Manter na 
temperatura, conforme 1, ou seguir o 2. 
 
Esferoidização 
 
 
Microestruturas esferoidizadas de aços. As partículas pequenas são 
cementita, a fase contínua é ferrita. 
Esferoidização 
 
 
Recozimento para Homogeneização 
 
 
A homogenização é um tipo de tratamento térmico de recozimento 
normalmente realizado nos primeiros estágios do processamento à 
quente dos aços (Laminação e Forjamento). 
- realizada em altas temperaturas 
austeníticas 
- eliminação de segregações ou 
gradientes de concentração química 
produzidos no processo de solidificação 
de um lingote; 
- dissolução de partículas de segunda 
fase 
- a homogenização melhora a 
trabalhabilidade à quente mas também 
contribui para uniformidade do aço 
quanto a recozimentos subsequentes ou 
operações de endurecimento. 
Recozimento Pleno ou Total 
O objetivo é eliminar as heterogeneidades estruturais 
(segregações, gradientes de concentração química) através 
de uma repartição mais homogênea dos componentes 
solúveis, por difusão. 
O tratamento aplica-se a todas as ligas Fe-C e muitas ligas não-
ferrosas: Cu e suas ligas, ligas de Al, ligas de Mg, Ni e Ti. 
 
 
 
Recozimento Pleno ou Total 
Nos Aços: 
No recozimento pleno, o aço geralmente é aquecido até a 
AUSTENIZAÇÃO COMPLETA da estrutura, seguido de 
RESFRIAMENTO LENTO em FORNO DESLIGADO. 
Observa-se o crescimento do grão austenítico, austenita uniforme e 
homogênea, melhor capacidade de trabalho mecânico e 
comportamento uniforme do aço aos posteriores tratamentos 
térmicos. 
Recozimento pleno produz PERLITAS GROSSAS ou Grosseiras (PG), 
resistência e dureza baixas e ductilidade elevada, boa 
usinabilidade. 
 
 
Recozimento Pleno ou Total 
AQUECIMENTO ATÉ : 
 Para os aços hipoeutetóides ≅ 50°C acima de A3 
 
 Para os aços hipereutetóides ≅ 50°C acima de A1 
Motivo: Não pode ultrapassar Acm porque no resfriamento ao 
atravessar esta linha forma-se Cementita (Fe3C) agulhada (ou em 
rede) nos contornos de grão da Austenita, fragilizando dessa forma 
o aço. 
 
 Deve-se proteger as superfícies das peças de aço em meio sólido 
ou gasoso para impedir que estas sejam afetadas por OXIDAÇÃO 
ou DESCARNONETAÇÃO. 
 
 Os equipamentos de aquecimento (FORNOS) empregados podem 
ser intermitentes ou contínuos. 
 
 
Recozimento Pleno ou Total 
 Exemplos de Microestruturas de Aços após Recozimento Pleno 
 
 
Recozimento Pleno ou Total 
 Exemplos de Microestruturas de Aços após Recozimento Pleno 
 
 
Normalização 
 
 
A normalização é um tratamento térmico que, similarmente ao 
recozimento, produz uma microestrutura uniforme. 
 
Tratamento aplica-se a todas as ligas Fe-C e não-ferrosas: Cu, Al, Mg, 
Ni e Ti. 
 
. 
A normalização em aço 
hipoeutetóide é realizada a 
temperaturas relativamente 
maiores que aquelas utilizadas no 
recozimento (acima de A3), 
enquanto que nos aços 
hipereutetóides a faixa de 
temperatura de aquecimento está 
acima de Acm (Não há formação 
de um invólucro de carbonetos 
frágeis devido a velocidade de 
refriamento ser maior). 
Normalização 
 
 
Na normalização o aquecimento é seguido de resfriamento ao ar, ao 
contrário do recozimento pleno que é mais lento por ser realizado no 
forno. 
 
A temperatura de austenitização um pouco maior usada na 
normalização, quando comparada com a usada no recozimento dos 
aços hipoeutetóides, em geral produz uma maior uniformidade na 
estrutura austenítica e uma composição similar a do tratamento de 
homogenização, embora em temperaturas menores e tempos mais 
curtos. 
 
Além disso, um outro objetivo principal da normalização é o refino do 
tamanho de grão que frequentemente torna-se muito grosseiro 
durante o trabalho a quente a elevadas temperaturas. 
 
Normalização 
 
 
Constituintes Estruturais resultantes 
 
Hipoeutetóide ferrita + perlita fina 
 
Eutetóide  perlita fina 
 
Hipereutetóide cementita + perlita fina 
 
 
Em relação ao recozimento a microestrutura é mais fina, apresenta 
menor quantidade e melhor distribuição de carbonetos 
Normalização 
 
 
Normalização 
 
 
TÊMPERA E 
REVENIDO DOS 
AÇOS 
 
Têmpera e Revenido 
O tratamento térmico, que consiste de têmpera e revenido é o mais 
importante, possibilitando a obtenção de estruturas e propriedades 
que permitem o emprego do aço em peças de maior responsabilidade 
e em aplicações mais críticas. 
Aços com teor de carbono menor de ~0,3 % não podem ser endurecidos 
por têmpera com eficiência 
A têmpera consiste: 
- em resfriamento rápido a partir da temperatura de austenitização, em 
um meio de grande capacidade de resfriamento. 
- As temperaturas de austenitização coincidem com as temperaturas do 
recozimento pleno. 
O tempo da permanência na temperatura deve ser em torno de 1,2 min 
para cada mm da espessura (em banho de sal ou de chumbo: 0,6 
min /mm). 
 
 
Velocidade crítica de resfriamento 
 
A velocidade de resfriamento deve ser tal, que a curva de resfriamento 
pelo menos tangencie o cotovelo ou joelho da curva de início da 
transformação da austenita (de modo a evitar que esta se transforme 
nos constituintes normais) e atinja as linhas horizontais 
correspondentes à formação de martensita. 
 
Essa velocidade de resfriamento é a velocidade crítica de resfriamento e 
dependerá da posição das curvas TTT, ou seja do tipo do aço, e da 
forma e dimensões das peças. 
(De acordo com as dimensões das peças, pode se obter estruturas mistas, 
pois é possível que o núcleo das peças não resfrie com velocidade 
suficiente de modo a evitar a formação de alguma perlita.) 
 
 
Velocidade crítica de resfriamento 
 
 
Ciclo clássico da têmpera e revenido 
Meios de resfriamento na têmpera 
 
 
Severidade da Têmpera: indica a taxa de resfriamento; 
quanto mais rápido a têmpera, maior a severidade. 
 
O resfriamento é tanto mais rápido (i.e., a taxa de 
resfriamento |dT/dt| é tanto mais elevada): quanto mais 
eficiente, do ponto de vista do escoamento do calor, for o 
meio de resfriamento. 
 
Para a severidade do meio são fatores importantes: a 
condutividade térmica, a capacidade calorífica, a 
temperatura e o grau de agitação do meio de 
resfriamento. 
 
Meios de resfriamentona têmpera 
 
 
Por ordem decrescente de severidade podemos indicar: 
 água agitada, água em repouso, óleo, ar, resfriamento em forno. 
 
Têmpera em óleo é bastante utilizada para tratamento térmico de 
muitos aços. Para aços de alto teor de carbono, a têmpera em água é 
muito severa podendo produzir trincas e empenamentos. 
 
Já o resfriamento ao ar de aços carbono comuns produz uma 
estrutura quase totalmente perlítica. 
 
Meios de resfriamento na têmpera 
 
 
A escolha do meio de resfriamento para a operação de têmpera 
depende de: 
a) dureza final desejada; 
b) forma e dimensões das peças; 
c) capacidade de endurecimento do aço. 
 
Em princípio, quanto maior for a capacidade de resfriamento do meio, 
maior a dureza final. 
 
Contudo, velocidades muito drásticas, proporcionadas por meios de 
grande capacidade de resfriamento, podem ser prejudiciais em 
função das dimensões e formas das peças. 
 
Meios de resfriamento na têmpera 
 
 
(a) Água sob agitação e (b) óleo 
Meios de resfriamento na têmpera 
 
 
Perfil radial de dureza 
para: 
(a) Amostras cilíndricas 
de diâmetro 50 mm 
dos aços 1040 e 
4140 temperado em 
água e 
(b) amostras cilíndricas 
de diâmetros 50 e 
100 mm do aço 4140 
temperados em água. 
Aquecimento 
Aquecimento 
 
 Evitar tensões residuais 
 É necessário garantir um aquecimento uniforme ao longo de toda a 
peça para reduzir as tensões internas (devidas a gradientes 
térmicos) e consequentes deformações. 
 
 
 
Aquecimento 
Aquecimento 
 
Evitar oxidação superficial 
Devido à atmosfera oxidante do forno, pode haver oxidação do Fe e C: 
 Se o Fe oxidar, a peça fica com uma película de óxidos fácil de 
detectar e de remover. 
 Se o C oxidar, não se consegue detectar o problema. Mas o aço 
fica descarbonetado e a sua dureza superficial inferior ao 
esperado. 
 
Solução: 
Potencial de carbono da atmosfera = teor em carbono do aço: 
 caixas de proteção com coque queimado, limalha de ferro fundido 
 fornos de atmosfera controlada 
 
 
 
Temperatura de Austenitização 
Temperatura 
 
 Aços hipo: Ac3+ 50ºC 
 Aços hiper: Ac1+ 50ºC 
 
Ac3 ou Ac1 podem ser 
determinadas através de: 
 
• Diagrama de equilíbrio 
• Curvas dilatométricas 
• Fórmulas empíricas 
• Diagramas TI ou TC 
 
Nota: Para aços com elementos de liga que formam carbonetos 
estáveis (ex: aços rápidos) deve-se elevar a temperatura acima de 
Acm (~300ºC) para dissolvê-los e enriquecer a austenita em 
carbono. 
 
 
 
Tempo na Temperatura de Austenitização 
O tempo na temperatura de austenitização depende da dimensão e da 
composição química: 
 
 aços s/ liga ou de pouca liga: 5 min / 10 mm de espessura 
 aços c/ média liga: 7 min / 10 mm de espessura 
 aços de muita liga: 10 min / 10 mm de espessura 
 
O tamanho de grão da austenita, que dita os resultados da têmpera, 
depende fundamentalmente da temperatura mas também do 
tempo. 
 
Deve-se evitar tamanho de grão da austenita muito grande porque: 
 Diminui a tenacidade 
 Gera tensões residuais 
 É mais fácil de empenar 
 É mais fácil de ocorrer fissuras 
 
 
A formação e as propriedades da martensita 
O resfriamento rápido em aços pode conduzir à formação de uma fase não 
prevista no diagrama de equilíbrio: a martensita. 
 
 
Microestrutura da martensita 
(aço AISI 8620) 
Martensita 
Martensita 
A martensita é uma solução sólida supersaturada de C no Fe de rede 
cristalina cúbica de corpo centrado ou de Fe de rede cristalina 
tetragonal de corpo centrado. 
 
A rede cristalina do ferro estará necessariamente distorcida em escala 
atômica. 
 
Martensita 
 
 
Martensita 
A transformação martensítica ocorre sem difusão, começando a uma 
temperatura fixa, para cada aço, designada por Ms (martensite 
start). Ms diminui com o aumento do teor em carbono de um aço. 
 
A temperatura abaixo da qual não ocorre mais transformação 
martensítica designa-se por Mf (martensite finish). 
 
 
 
 
 
 
Transformação Martensítica 
As transformações martensíticas não são exclusivas dos aços; outros 
sistemas também são susceptíveis de sofrer esse tipo de 
tranformação. 
 
Durante a transformação martensítica as placas da fase nova surgem 
ao longo de planos possíveis de deslizamento. As mudanças 
cristalográficas, que ocorrem durante a transformação resultam 
nas suas propriedades únicas. A martensita transfere sua elevada 
dureza e grande fragilidade ao aço temperado. 
 
 
 
 
 
Martensita 
Quando não se transformou toda austenita em martensita na 
microestrutura do material observa-se a presença da austenita 
retida. 
 
 
Microestrutura mista de martensita (escura) e 
austenita retida (clara- marcada com flechas) 
Martensita 
A dureza da martensita aumenta com o teor do carbono no aço. Os 
aços de alto carbono (a partir de 0,7 %) mostram uma tendência a 
reter a austenita, o que diminui a dureza. 
 
 
A dureza do aço depende do teor do carbono e da 
porcentagem da martensita obtida durante a têmpera 
Revenido 
Depois da têmpera o aço tem: 
 Resistência e dureza elevadas 
 Alongamento (%) e tenacidade ao choque (K) baixas 
 Muitas tensões internas. 
 
 
 
 
O revenido, portanto, tem como objetivo: 
 
- Alivíar ou remover tensões 
 
- Corrigir a dureza e a fragilidade, 
 
- Aumentar a dutilidade e a tenacidade 
 
Revenido 
Após a têmpera e homogeneização da temperatura, o aço é colocado 
durante um certo período de tempo a uma temperatura abaixo da 
temperatura eutetóide, seguido de resfriamento ao ar. 
 
 
 
 
Revenido 
O revenido provoca uma evolução do material para um estado mais 
próximo do estado de equilíbrio sem atingí-lo completamente. 
 
Durante o revenido ocorrem transformações na microstrutura do aço, 
induzidas por difusão: 
 
 - decomposição da martensita 
 - formação de precipitados de carbonetos. 
 
As propriedades mecânicas obtidas no revenido dependem das 
transformações dos constituintes obtidos depois da têmpera. 
 
A ferrita, a perlita e a bainita que estão relativamente próximas do 
estado de equilíbrio praticamente não se alteram. 
 
A martensita e a austenita residual, nitidamente fora de equilíbrio, é 
que vão transformar-se, sendo responsáveis pelas alterações 
significativas das propriedades mecânicas. 
 
Revenido 
Efeito da temperatura de 
revenido nas propriedades 
mecânicas de uma barra de 
aço 4340 temperado em óleo. 
REVENIDO 
150- 230°C os carbonetos começam a precipitar 
 Estrutura: martensita revenida 
 (escura, preta) 
 Dureza: 65 RC 60-63 RC 
 
230-400°C os carbonetos continuam a precipitar em forma 
 globular (invisível ao microscópio) 
 Estrutura: TROOSTITA 
 Dureza: 62 RC 50 RC 
 
REVENIDO 
400- 500°C os carbonetos crescem em glóbulos, 
 visíveis ao microscópio 
 Estrutura: SORBITA 
 Dureza: 20-45 RC 
 
650-738°C os carbonetos formam partículas globulares 
 Estrutura: ESFEROIDITA 
 Dureza: <20 RC 
 
Mudanças durante o revenido 
 
 
Troostita: agregado escuro; há 
precipitação de carbonetos finos 
Sorbita: partículas de cementita 
precipitadas, as quais ficam 
perfeitamente visíveis numa matriz 
ferrítica. 
Mudanças durante o revenido 
 
 
Mudanças durante o revenido 
 
 
Mudanças durante o revenido 
 
 
Transformação da austenita residual 
 
Para os aços muito ligados e com muito carbono, outro fenômeno pode ocorrer: 
ente 500~600ºC a austenita residual que está super-saturada em C fica mais 
pobre em C. 
 
 
O ponto Ms sobe e no resfriamento a γr→M, chamada martensita secundária. 
TRATAMENTOS 
ISOTÉRMICOS 
Os tratamentos isotérmicos são baseados no conhecimento das 
curvas TTT. São conduzidos de tal maneira que as 
transformações de fases se realizam a uma temperatura 
constante 
 
 
Martêmpera 
 
 Visa a obtenção de martensita,porém em condições diferentes da 
têmpera normal. 
 
 
 
 
O procedimento consiste dos seguintes estágios: 
 
 resfriamento rápido da temperatura de austenitização em um 
meio líquido aquecido (óleo quente, banho de sal fundido, metal 
fundido, leito fluidizado) a uma temperatura acima da temperatura 
do início da formação de martensita (Ms) 
 
 manutenção nesta temperatura até a obtenção da uniformidade 
da temperatura da peça ao longo da sua seção transversal 
 
 resfriamento a uma taxa moderada (ao ar), para evitar grandes 
diferenças de temperatura entre a superfície e o centro da peça. 
 
A formação da martensita ocorre uniformemente na seção inteira 
durante o resfriamento até a temperatura ambiente. A 
microestrutura depois da martêmpera é então essencialmente 
martensita, que é frágil para a maioria de aplicações. Por isso o 
material tratado termicamente pela martêmpera exige um 
revenido como o material após uma têmpera convencional 
 
 
A vantagem da martêmpera é que não se produz uma grande diferença 
de temperatura entre a superfície e o centro da peça, de modo que a 
formação da martensita ocorre a uma velocidade uniforme através de 
toda a seção do aço; eliminando-se, assim, praticamente todas as 
tensões residuais, o empenamento e as fissuras de têmpera. 
 
Utiliza-se para peças propensas a sofrerem empenamentos e que 
necessitam das mesmas propriedades alcançáveis pela têmpera 
seguida de revenimento. 
 
 
Os meios de resfriamento mais usados para a martêmpera são: 
 
 óleo quente - com temperatura até 205°C (martêmpera padrão) 
 - com temperatura até 175°C ( martêmpera 
 modificada) 
 
sais fundidos – na faixa de temperaturas entre 160 e 400°C. 
 
 
Os aços liga são mais adequados para martêmpera do que os aços 
carbono. 
 
 
Austêmpera 
 
Tratamento isotérmico composto de aquecimento até a temperatura de 
austenitização, permanência nesta temperatura até completa 
equalização, resfriamento rápido até a uma temperatura 
constante, acima de Ms, promovendo-se a transformação completa 
da austenita em bainita, seguindo-se um resfriameto ao ar. 
 
 
 
 
 
 Aços para austêmpera 
 
A seleção dos aços para austêmpera deve ser baseada nas curvas 
TTT, especialmente no tempo necessário apara a transformação 
bainítica, e na posição da temperatura de início de transformação 
martensítica. 
 
Os aços mais usados são: aços carbono com 0,5 –1,0%C (min 
0,6%Mn), aços alto carbono com menor teor de Mn (0,9 %C), alguns 
aços baixa liga com teor de carbono acima de 0,3%. 
 
 
As vantagens da austêmpera 
 
(1) menos distorção e trincamento do que na martêmpera, 
(2) não precisa de têmpera final (consome menos tempo e melhor 
eficiência de uso de energia) 
(3) melhoria da tenacidade (maior energia de impacto do que a Têmpera e 
revenido clássico) 
(4) melhor ductilidade 
(5) ciclo mais curto para peças que exigem dureza na faixa 35-55 HRC 
com economia nos custos de energia e investimentos. 
 
As limitações da austêmpera 
 
A austêmpera pode se aplicar só em casos, onde a transformação em 
perlita pode ser evitada. Isso significa que a secção inteira deve ser 
resfriada com suficiente rapidez. Isso limita que nas aplicações industriais 
não se empregam seções mais grossas do que ½ polegada. A espessura 
pode ser aumentada em caso de aços ligados, mas por outro lado o tempo 
de transformação para bainita pode demorar muito. 
 
 
TRATAMENTOS 
SUPERFICIAIS 
 Nem sempre é necessário se obter elevada dureza à 
máxima profundidade 
 Para muitas aplicações a dureza superficial adequada, 
abrangendo camadas superficiais relativamente finas é 
mais do que suficiente. 
 Métodos de endurecimento superficial são mais 
econômicos. 
 
 
 
TRATAMENTOS SUPERFICIAIS 
 O objetivo dos tratamentos superficiais é realçar as propriedades de superfície 
para atender requisitos específicos, enquanto o interior da peça mantém suas 
propriedades estruturais. 
 
Os tratamentos de endurecimento superficial podem ser divididos em dois grupos: 
 
 Têmpera superficial: possibilitam um endurecimento somente devido ao 
aquecimento localizado da superfície, através de transformações de fase 
termicamente induzidas. 
 - por chama 
 - indução 
 - feixe de elétrons 
 - por laser 
 
 Tratamentos termo-químicos: envolvem alterações na composição da 
camada superficial 
 - cementação 
 - nitretação 
 
 
TRATAMENTOS SUPERFICIAIS 
Têmpera Superficial 
 
 O procedimento da têmpera superficial consiste em aquecer-se a superfície 
do aço rapidamente, de modo que atinja a zona austenítica, até uma certa 
profundidade, seguindo-se resfriamento rápido. Desse modo, somente uma 
camada superficial, de espessura que pode ser determinada com alguma 
segurança, ficará temperada e adquirirá a estrutura martensítica. Abaixo 
dessa camada o aço permanece na sua condição original de estrutura 
recozida ou, eventualmente, normalizada, com uma zona de transição. 
 
 Vantagens: endurecimento apenas em seções críticas das peças, como 
dentes de engrenagens, guias de máquinas operatrizes, etc; menores riscos 
de empenamento e fissuras durante o resfriamento; utilização de aços de 
menor custo, como os aços C; menor investimento em equipamentos. 
 
 Os aços mais comumente usados na têmpera superficial são aços carbono 
com teor de carbono acima de 0,35 % ou aços liga com baixos teores de 
elementos de liga. 
 
 Os dois principais processo de têmpera superficial são: 
 - têmpera por chama 
 - têmpera por indução 
 
 
 
 
Têmpera por chama 
 
 Este é o processo mais antigo. Utiliza-se uma chama de oxi-
acetileno e um jato de água na forma de borrifo. 
 
Gás Combustível 
Água 
Chama Água 
Zona Endurecida 
Martensita Aço 
Temperatura 
~ 3000°C 
A temperatura para atingir a zona austenítica depende do teor de C. Quanto 
mais baixo o carbono, maior a temperatura: 850 a 875°C para aços com 
0,6% C; 900 a 975°C para aços com 0,3% C. 
 
 
O sistema mais simples é o de um dispositivo semelhante a um torno 
onde as peças de seção circular uniforme seriam colocadas entre as 
pontas do mesmo, girando a uma velocidade periférica determinada, 
com a torcha de oxi-acetileno e o bocal de água colocados no carro. A 
torcha deve ser dimensionada de acordo com a área a ser aquecida de 
uma só vez. A chama aquece sucessivamente a peça em rotação, 
seguindo-se imediatamente o resfriamento pela água. 
 
 
O processo de têmpera por chama é mais adequado para aços com 
médio teor de carbono (na faixa de 0,4 –0,6 %C). 
 
Quanto menor o tempo do tratamento, menor a profundidade de 
penetração (10 a 12 s). A profundidade do endurecimento pode ser 
aumentada com o prolongamento do aquecimento; neste caso mais 
suave é o gradiente de dureza da superfície para o centro. Pode ser 
obtida uma profundidade até cerca de 6,5 mm. 
 
Peças grandes que não cabem nos fornos também podem ser tratados 
com a têmpera por chama. 
 
A têmpera por chama pode ser conduzida manualmente ou no modo 
automatizado. O equipamento automático produz resultados 
uniformes. Os equipamentos automáticos tem velocidades variáveis e 
podem ser adaptados para peças de diferentes tamanhos e formas. A 
forma e o tamanho da torcha depende também da forma e tamanho da 
peça tratada. 
 
 
 
 
 
 
 
Têmpera por indução 
 
Neste processo, o calor superficial é produzido por indução 
eletromagnética, mediante o emprego de bobinas de cobre que 
envolvem a peça. 
 
Uma corrente alternada flui a partir do conversor através do indutor 
ou bobina de trabalho e produz um campo magnético altamente 
concentrado. 
 
A voltagem induzida na peça provoca um fluxo de corrente. O 
aquecimento é causado devido à resistência da peça ao fluxo da 
corrente induzida. 
 
Correntes de alta freqüência são utilizadas quando se deseja camadas 
endurecidasfinas e freqüências intermediárias ou baixas quando as 
camadas devem ser mais espessas 
 
 
 
 
A espessura da camada endurecida depende da forma da bobina, do espaço 
entre a bobina de indução e a superfície da peça, da taxa de alimentação da 
força, da freqüência e do tempo de aquecimento. 
 
A alta velocidade aquecimento da superfície –a alta velocidade da têmpera – 
ajuda evitar a distorção dimensional causada pelas tensões internas. O centro 
da peça mantém sua propriedades iniciais. Este fato possibilita a substituição de 
aços liga por aços carbono tratados por este método de endurecimento 
superficial. A têmpera superficial é aplicada para aços liga somente nos casos 
quando se exige alta resistência mecânica do centro da peça. 
 
 
Bobinas de indução de alta frequência, constituídos de tubos de cobre comercial, 
no interior dos quais flui água para seu resfriamento. Os diâmetros desses tubos 
variam de 1/8’’ para baixa potência a 3/16’’ para unidades de 20 a 50 kW. 
 
Dentes de engrenagem temperadas por indução 
 
 
Tratamento térmico por feixe de elétrons 
 
O tratamento térmico por feixe de elétrons é um processo seletivo de 
endurecimento, em que a superfície de uma liga de ferro endurecível é aquecida 
rapidamente acima da temperatura de transformação da liga, através do 
bombardeamento ou colisão direta de uma corrente de elétrons acelerados. 
 
No final do ciclo de aquecimento, entre 0,5 e 2,5 s, o fluxo de elétrons é parado 
inesperadamente para permitir que a região trabalhada resfrie, formando uma 
estrutura martensítica. 
 
No tratamento térmico com feixe de elétrons, um feixe altamente concentrado de 
elétrons, com alta velocidade é usado para áreas de aquecimento seletivo. O feixe 
é extremamente energizado pela aceleração entre os catodos e os anodos. O feixe 
concentrado é controlado através de uma bobina de foco. 
 
Durante o tratamento na câmara é necessário manter alto vácuo ( 10-2 torr), para 
possibilitar a emissão e aceleração dos elétrons, bem como proteger o emissor das 
oxidações. 
 
 
No tratamento térmico por feixe de elétrons a energia cinética dos elétrons é 
transformada para o aquecimento da peça no momento do impacto dos elétrons 
na superfície da mesma. Com a ajuda de oscilação de alta velocidade e com o 
controle digital o feixe de elétrons pode varrer a superfície de forma 
determinada possibilitando endurecimento superficial em áreas minúsculas e 
em peças com paredes finas e em peças com formas complexas. 
Equipamento de tratamento por feixe de elétrons com controle digital 
Tratamento térmico por LASER 
 
 O endurecimento superficial por laser utiliza um feixe de laser de alta 
energia e bem definido como fonte de calor. Quando o feixe de laser 
atinge a superfície, parte da energia é absorvida na forma de calor. Se a 
densidade da força do feixe de laser é suficientemente alta, o calor pode 
ser gerado na superfície mais rapidamente do que a condução de calor ao 
interior pode removê-lo, e a temperatura na camada de superfície 
aumentará rapidamente. 
 
 
Em um tempo muito curto, uma camada fina 
da superfície terá alcançado a temperatura 
de austenitização, enquanto o interior do 
componente ou da peça estará frio. A 
concentração da energia é tipicamente entre 
1000 e 2000 W/cm2 e o gradiente da 
temperatura obtido 500°C/mm. 
 
 
Movendo o feixe de laser sobre a superfície do componente ou peça, um ponto na 
superfície dentro do trajeto do feixe é aquecido rapidamente enquanto o feixe 
passa. 
 
Esta área é subseqüentemente resfriada rapidamente pela condução do calor ao 
interior depois que o feixe passou. 
 
Selecionando a força de densidade e a velocidade correta do ponto do laser, o 
material pode endurecer até a profundidade desejada. Esta profundidade 
resultante depende da resposta ao endurecimento do material, mas será 
raramente maior do que 2,5 mm. Para aço de baixo carbono a profundidade é 
menor, em torno de 0,25, para aço de médio carbono em torno de 1,3 mm. 
 
Para formar uma camada superficial de martensita, o metal deve ser aquecido a 
~900°C ( em caso de aços – liga até temperaturas mais altas). 
 
 
 
 
Tratamento superficial de uma peça por laser e a microestrutura da trilha da 
passagem do feixe 
 
 
TRATAMENTOS 
TERMO-QUÍMICOS 
TRATAMENTOS 
SUPERFICIAIS 
Os tratamentos termo-químicos também visam o endurecimento superficial 
dos aços. 
 
Neste caso, o endurecimento da superfície não resulta de uma simples 
transformação da austenita em martensita. Ocorrem reações químicas entre 
elementos contidos no ambiente onde os tratamentos são executados e os 
elementos do aço. Esses meios podem ser sólidos, líquidos ou gasosos. 
 
 
 
 
 CEMENTAÇÃO 
 
 
CEMENTAÇÃO 
 
Processo clássico, mais conhecido e aplicado, porque permite o emprego dos 
três meios citados. 
 
Na cementação (ou carburização), o elemento fundamental é o carbono, na 
forma de carvão, monóxido de carbono ou contido em banhos de cianeto. 
 
Os aços a serem cementados devem possuir carbono baixo, de modo que, 
quando aquecidos a elevadas temperaturas (de austenitização), na presença de 
um meio carbonetante, o carbono desse meio reage com o ferro do aço, de 
acordo com a reação: 
 
C + 3 Fe → Fe3C 
A superfície do aço fica endurecida de 
carbono, até profundidade que pode ser pre-
estabelecida, permitindo a têmpera posterior. 
Os processos usuais de cementação 
permitem elevar o teor de carbono da 
superfície do aço a valores da ordem de 0,8 
a 1%. 
 
 
CEMENTAÇÃO 
A profundidade de cementação depende da temperatura e do tempo à 
temperatura, pois tanto temperaturas mais elevadas como tempos mais longos 
facilitam a difusão do carbono para o interior do aço. 
No entanto, temperaturas elevadas podem levar a excessivo crescimento de grão, 
o que pode ser atenuado pela adição de elementos de liga inibidores do 
crescimento de grão, como Al, Ti ou Nb. 
Outros fatores, além da temperatura e do tempo, influem na velocidade de 
enriquecimento superficial de carbono: 
-Teor inicial de carbono do aço, o qual quanto menor, maior a velocidade de 
carbonetação 
- Coeficiente de difusão do carbono no aço. 
- Natureza do agente carbonetante (CO e CH4). O poder carbonetante destes 
gases difere pouco na prática. 
- Velocidade de fluxo de gás que pode influir na velocidade de reação da 
superfície e pode ocasionar a formação de excessiva quantidade de carbono livre, 
na forma de fuligem, na superfície do aço, provocando perda de controle do 
potencial de carbono e cementação pouco uniforme. 
 
 
 
CEMENTAÇÃO 
 
 
CEMENTAÇÃO 
Aços para cementar 
 
Primeiro requisito é baixo carbono, geralmente se usam aços com teor de carbono 
até 0,2%, porque a difusão de carbono é mais rápida e porque núcleo de baixo 
carbono significa tenacidade e resistência ao choque. 
 
O aço deve ter um baixo teor de manganês (menos de 0,4%), porque esse 
elemento atribui uma característica de fragilidade na camada cementada. O 
alumínio, vanádio e silício também devem ser encontrados em baixa quantidade 
pois podem provocar a grafitização do carbono. O níquel é utilizado em teores de 
até 5% para aumentar a temperabilidade. O cromo aumenta a velocidade de 
cementação. 
 
Os aços para cementação devem possuir preferivelmente uma granulação fina 
que exigem normalmente uma única operação de têmpera que pode ser realizada 
diretamente da temperatura de cementação. 
 
 
CEMENTAÇÃO EM CAIXA 
 
A cementação foi primeiramente realizada utilizando-se o método "cementação 
em caixa" (pack), onde as peças eram seladas em uma caixa metálica 
resistente ao calor preenchida com misturas carburizantes. 
 
A mistura mais usada é formada por carvão vegetal e/ou coque com a adição 
de 5-10% de catalisador (BaCO3 ou Na2Co3) e aglomerador ( 5-10 % de óleo 
de linhaça) para formar peletes. Emtemperaturas elevadas o monóxido de 
carbono liberado pelo material fornece o carbono para o aço: 
 
C + O2 → CO2 
C + CO2 → 2CO 
2CO + 3Fe → Fe3C + CO2 
C + CO2 → 2CO 
A reação entre o CO e Fe depende da relação CO : CO2. A cementação ocorre 
por absorção e difusão do carbono pela parte metálica. Quanto mais alta a 
temperatura, mais rápido ocorrerá o fenômeno da cementação (temperatura na 
faixa de 900ºC a 950ºC). Na cementação em caixa a relação CO : CO2 para o 
aumento do teor de carbono é melhorada pela adição de catalizadores 
(carbonato de bário). 
 
 
CEMENTAÇÃO EM CAIXA 
 
O cemento é formado por uma camada bem socada de aproximadamente 2 cm 
de espessura no fundo da caixa. Sobre essa camada são colocadas as peças a 
serem cementadas com uma distância de 2 cm entre elas. Cobrem-se as peças 
com uma camada da mesma espessura de cemento socado. Tampa-se a caixa 
com uma tampa e leva-se ao forno ( de 850ºC a 1000ºC). Deixa-se no forno o 
tempo necessário para se obter a espessura da camada cementada que se 
deseja. 
Alguns incovenientes da cementação em caixa são: 
- não é possível a têmpera direta, consumo mais elevado de energia 
(aquecendo as caixas), 
- necessita de muita mão de obra para preencher a caixa, 
- irregularidades de distribuição da temperatura. 
 
As vantagens incluem a simplicidade e a aplicação econômica para lotes 
pequenos e peças grandes, possibilidade de usinagem após a cementação. 
 
 
CEMENTAÇÃO GASOSA 
 
Na cementação gasosa a camada superficial da peça é envolvida em um meio 
gasoso, e aquecida durante um certo tempo a uma determinada temperatura. 
 
A temperatura permite a transferência dos átomos de carbono para a superfície 
da peça, que é processada por reações químicas. Dá-se ainda a difusão do 
carbono para o interior da peça, que consiste, portanto, numa migração dos 
átomos de carbono. 
 
Os agentes carbonetantes são monóxido de carbono CO e os gases metano 
CH4, etano C2H6 e propano C3H6. As reações que produzem carbono para 
cementação podem ser resumidas: 
 
CO + H2 (C) + H2O 
2CO (C) + CO2 
CH4 → (C) + 2 H2 
C2H6 (C) + xCH4 + yH2 
C3H8 (C) + xC2H6 + yC2H4 + 2 H2 
 
 
 
CEMENTAÇÃO GASOSA 
 
Os gases mais empregados são gás natural, gás fabricado e propano. 
 
Uma prática comercial é utilizar um gás endotérmico, contendo cerca de 40% 
de N2, 21% de CO e 39% de H2 enriquecido com um dos gases derivados de 
hidrocarbonetos. 
 
O emprego dos hidrocarbonetos puros causam um depósito de fuligem que 
atrasam a reação de cementação e é por isso que se utilizam gases diluentes 
como o hidrogênio, nitrogênio, etc. O teor de metano após a adição ao gás 
endotérmico é tipicamente em torno de 1%. 
 
O sucesso da cementação a gás depende de três variáveis principais: 
temperatura, tempo e composição da atmosfera. 
 
 
 
CEMENTAÇÃO GASOSA 
 
Temperatura. O enriquecimento da superfície do aço é limitado pela taxa de 
difusão do carbono na austenita, esta taxa cresce com o aumento da 
temperatura. Essa temperatura garante um processo suficientemente rápido 
sem a deterioração exagerada do equipamento usado. É importante a 
uniformidade da temperatura na peça inteira para garantir uma camada de 
difusão uniforme. A uniformidade da temperatura pode ser obtida 
primeiramente com um controle cuidadoso dos parâmetros do aquecimento e 
permanência no forno. 
 
Tempo. A espessura da camada cementada depende tanto da temperatura 
como do tempo. A formula de Harris possibilita o cálculo da espessura da 
camada cementada em função da temperatura e do tempo: 
 
E.C.C. = 660.e-8287/T. t 1/2, 
 
onde: ECC – espessura da camada cementada em mm, 
 T - temperatura em Kelvins, 
 t – tempo em horas. 
 
 
CEMENTAÇÃO GASOSA 
 
Em caso de peças grandes o tempo de aquecimento pode representar uma 
porção significante do tempo do processo. Deve-se levar em consideração o 
tempo necessário para o resfriamento a partir da temperatura de cementação 
para a temperatura de têmpera que é mais baixa : 845°C. Durante este 
resfriamento o crescimento da camada continua, mas com uma taxa mais 
baixa. Caso isso não seja desejado é possível mudar a composição da 
atmosfera diminuindo o seu potencial de carbono. 
 
Composição da atmosfera. A eficiência da atmosfera é dada pelo potencial de 
carbono, que depende da taxa de adição do metano ao gás endotérmico, e 
também da taxa do fluxo do próprio gás endotérmico. O acompanhamento da 
composição da atmosfera se realiza pela medida do teor de dióxido de 
carbono e do vapor de água, que fornecem uma informação sobre o potencial 
de carbono. 
 
 
 
CEMENTAÇÃO GASOSA 
 
O processo de cementação a gás é mais oneroso e exige controle mais 
rigoroso que a cementação sólida. 
 
Algumas vantagens desse processo: 
-Permite a cementação de peças mais delicadas, além de ter o teor de 
carbono e espessura da camada cementada mais uniforme. 
- Permite têmpera direta 
- Apresenta maior velocidade de penetração de carbono 
- Previne a oxidação das peças, pois os gases empregados são protetores 
 
Algumas desvantagens: 
- dificuldade de controle da atmosfera dentro de certos limites, 
- mão de obra mais especializada. 
 
 
 
 
 
CEMENTAÇÃO LÍQUIDA 
 
Neste processo o meio carburizante é um sal a base de cianeto (NaCN). 
 
Outros constituintes são: BaCl2, KCl, NaCl. 
 
Esse banhos podem ser ativados por adição de carbono, grafite e fluoretos, 
óxido de boro, MnO2. A composição dos banhos usados depende da 
temperatura da cementação, que neste caso pode ser em duas faixas: 840-
900°C – para camadas mais finas e de 900-950°C para camadas mais 
grossas (0,5-3mm). 
 
As reações são complexas, alguns parciais : 
2NaCN + BaCl2 → 2NaCl + Ba(CN)2 
Ba(CN)2 + Fe → (C) + BaCN2 
2CO + Fe C (no Fe) + C O2 
Fe +C → C (no Fe) 
 
A cementação líquida é feita em fornos de banho de sal. 
 
 
 
CEMENTAÇÃO LÍQUIDA 
 
Após o processo do banho, mergulha-se a peça em óleo para evitar oxidação. 
 
Vantagens do processo: 
- economia do tempo de aquecimento, 
- distribuição uniforme da temperatura, 
- as peças podem ser retiradas do banho e serem temperadas imediatamente. 
 
Desvantagens do processo: 
- alto custo dos sais, 
- perigo no manuseio das peças. 
 
Como alternativa existe a possibilidade de cementação em líquido sem 
cianeto, neste caso a mistura de sais é formada por carbonetos de metais 
alcalinos com carbono finamente disperso no banho. As temperaturas 
empregadas são na faixa de 900 –950°C. 
NITRETAÇÃO 
NITRETAÇÃO 
O raio atômico do nitrogênio é 50% do raio atômico do ferro e em torno de 8% 
menor do que o raio atômico do carbono. Isso possibilita a inclusão do 
nitrogênio atômico na posição intersticial da rede cristalina do ferro. 
 
Nitretação é um tratamento termoquímico superficial onde o nitrogênio é 
introduzido na fase α (ferrita) em temperaturas entre 500 – 570 °C (o 
nitrogênio apresenta maior solubilidade do que o carbono). 
Consequentemente, não ocorre mudança de fase quando o aço é resfriado até 
a temperatura ambiente. 
 
Objetivo: Aumentar a dureza e a resistência ao desgaste mantendo o núcleo 
dútil e tenaz. 
 
 
NITRETAÇÃO 
Propriedades dos aços Nitretados 
 
 Alta dureza superficial com aumento da resistência ao desgaste e com 
pouco risco de descamação. 
 Alta resistência à fadiga –formação de forças compressíveis na superfície 
do aço. 
 Melhora da resistência à corrosão em aços não inoxidáveis. 
 Elevada estabilidade dimensional. 
 Sem risco de empenamento. 
 
 
NITRETAÇÃO 
Temperatura de Nitretação: 500 –570°C 
 limite superior –pré-requisito para que não ocorra transformação de fase 
 limite inferior –requerimento para que ocorra dissociação da amônia 
 
Reação de Nitretação: Amônia em contato com a superfície aquecida do aço 
se dissocia: 
2NH3 2NFe + 3 H2 
 
O nitrogêniona forma atômica pode ser absorvido pelo aço. Na superfície ao 
atingir um determinado nível de saturação de nitrogênio, nitretos são 
formados através do mecanismo de nucleação e crescimento. 
 
O nitrogênio forma nitretos com os elementos como alumínio, silício titânio, 
vanádio, cromo, molibdênio e ferro. Os nitretos são fases duras e 
precipitam na matriz de ferro resultando em alta dureza. 
NITRETAÇÃO 
Aços que contem estes elementos de liga são usados para a nitretação: 
 
 aços baixa liga com alumínio (0,24-0,42 % de C, 1 % de Al) 
 aços de baixa liga de médio carbono que contém cromo 
 aços para ferramentas de trabalho ao quente com 5% de cromo 
 alguns aços inox ferríticos, martensíticos e austeníticos 
 aços inox endurecíveis por precipitação. 
NITRETAÇÃO GASOSA 
É o mais clássico dos processos de nitretação. 
 
 Reação – em contato com o aço a amônia se dissocia liberando nitrogênio 
atômico, que pode ser absorvido pelo aço e dissolvido intersticialmente no 
Fe. 
2NH3 → 2N + 3H2 
 
Microestrutura do aço AISI 1015 
Nitretação gasosa 
Quando a superfície atinge um 
determinado nível de saturação, nitretos 
são formados através do mecanismo de 
nucleação e crescimento, requerendo um 
determinado tempo de incubação. 
 
 A difusão do nitrogênio na nitretação é 
lenta e em geral no processo industrial 
exige tempos entre 48 e 72 horas. Mesmo 
com tempos longos a espessura da 
camada nitretada dificilmente ultrapassa 
0,8mm. 
NITRETAÇÃO GASOSA 
 As peças devem ser limpas (sem óleo e oxidação) colocadas em caixas 
especiais, feitas de níquel e cromo. O processo de nitretação a gás pode 
ser realizada em estágio único ou em estágio duplo. Em estágio único a 
carga de forno é aquecida na faixa de 495-525 °C com uma taxa de 
dissociação da amônia entre 15 e 30%. Neste processo forma-se na 
superfície a camada branca dura e frágil. 
 O processo de estágio duplo resulta em camada branca reduzida. No 
primeiro estágio deste processo os parâmetros são idênticos ao processo 
anterior exceto pelo tempo, que é mais curto. No segundo estágio o que 
muda é a taxa de dissociação da amônia, elevada para a faixa entre 65 e 
85% . A temperatura pode ser mantida como no primeiro estágio ou pode 
ser ligeiramente elevada para a faixa entre 550 e 565 °C. 
 Antes da nitretação é feito um tratamento térmico de têmpera para que seja 
obtida boas propriedades no núcleo da peça. A dureza superficial obtida na 
têmpera não influencia o tratamento da nitretação. Em alguns aços 
adiciona-se níquel para dar mais ductilidade ao núcleo. 
NITRETAÇÃO LÍQUIDA 
Neste processo o meio nitretante é uma mistura de sais fundidos. O banho de 
sais comercialmente mais empregado consiste de uma mistura de sais de 
sódio (60-75%) e sais de potássio (30-40%). O principal constituinte nos 
sais de sódio é o NaCN com adição de pequenas quantidade de Na2CO3 e 
NaCNO. Nos sais de potássio o KCN, K2CO3 e KCNO são representados 
na mesma proporção. 
 
A temperatura do processo é praticamente igual à temperatura da nitretação a 
gás, os tempos são freqüentemente menores. À temperatura da nitretação 
carbono e nitrogênio paralelamente são liberados no banho de sais, porém, 
somente o nitrogênio é suficientemente ativo a essa temperatura para 
difundir no ferro formando nitretos. O processo da nitretação líquida pode 
ser acelerada pela introdução de amônia sob pressão no banho de cianeto-
cianato, resultando em tempos médios nitretação de 24 horas. Outra 
possibilidade é bombeamento de ar através do banho de sal, estimulando a 
atividade química pela agitação do banho. 
Nitretação líquida 
Microestrutura do aço carbono 
Nitretação líquida 
 
NITRETAÇÃO IÔNICA OU POR PLASMA 
A nitretação iônica é uma técnica muito utilizada no endurecimento superficial 
de aços. Ela vem substituindo, com grandes vantagens, técnicas convencionais 
de nitretação como a nitretação gasosa e a nitretação em banho de sais. 
 
A técnica se baseia na interação do plasma com a superfície da peça que se 
deseja nitretar. Um reator hermeticamente fechado, possuindo em seu interior 
dois eletrodos, é interligado a uma fonte de tensão d.c. e a um sistema de 
vácuo. Entre os dois eletrodos é aplicada uma diferença de potencial 
necessária para gerar plasma (entre 350V-600V). Devido a esta diferença de 
potencial, elétrons livres são acelerados, colidem com os átomos neutros do 
gás nitretante, ionizando-os ou excitando-os, formando assim o plasma. 
 
A peça a ser nitretada, fixada no ânodo, é revestida pelo plasma. 
 
 Íons presentes no plasma bombardeiam a superfície da peça, arrancando 
átomos que reagem com as espécies ativas do plasma e, os produtos dessas 
reações, são redepositados. 
Nitretação Iônica ou por Plasma 
A Camada Nitretada 
Duas zonas distintas são formadas durante o processo da nitretação. 
 
Uma zona mais externa, que consiste de nitretos ε – Fe2-3(N,C) e/ou '-Fe4N, 
denominada de zona de compostos (ou camada branca) e 
 outra mais interna, consistindo de uma solução sólida de nitrogênio na matriz 
e precipitados dispersos coerentes ou semi-coerentes, denominada de zona 
de difusão. 
A Camada Nitretada 
Enquanto a zona de compostos forma nitretos muito duros e frágeis, a zona de 
difusão forma uma região de dureza intermediária que suavizará o perfil de 
dureza com o substrato. 
 
Assim, dependendo da aplicação, tanto as fases superficiais (zona de 
compostos) como a relação entre as duas zonas podem ser modificadas. 
 
A zona de compostos garante alta resistência à corrosão. Por outro lado, 
zonas de compostos mais espessos do que 20 micrometros podem se 
destacar da superfície. 
A espessura, o perfil da dureza e a 
composição da camada nitretada 
dependem além dos parâmetros do 
processo usado também da composição 
do material nitretado. 
 
Processo Vantagens/Desvantagens 
Nitretação líquida 
Transferência rápida do calor 
Baixo custo 
Grande quantidade de poluentes 
Baixa eficiência 
Nitretação a gás 
Baixo custo 
Dificuldades no controle do 
processo 
Nitretação iônica 
Bom controle da camada branca 
Endurecimento uniforme 
Ciclo mais curto 
Alto custo 
Comparação dos processos industriais de nitretação 
 
Bibliografia: 
 
W. D. Callister Jr., Ciência e Engenharia de Materiais: uma 
Introdução. LTC Editora, Rio de Janeiro (2002). 
 
V. Chiaverini, Tratamentos Térmicos das Ligas Ferrosas, 
ABM (1987). 
 
ASM Handbook Heat Treating, vol. 4, ASM International. 
 
D. R. Askeland, P.P. Phulé, Ciência e Engenahria dos 
Materiais, Cengage Learning, 2008.