PROCESSOS TERMOQUÍMICOS DE CEMENTAÇÃO E NITRETAÇÃO

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Viana. Outubro de 2019 
 
 
 
 
 
 
 
Campus Universitário de Viana 
Universidade Jean Piaget Angola 
(Criada pelo Decreto nº 44- A/01 de 6 de Julho de 2001) 
 
Faculdade de Ciências e Tecnologias 
 
 
 
Processos Tecnológicos 
 
 
PROCESSOS TERMOQUÍMICOS DE CEMENTAÇÃO E 
NITRETAÇÃO 
 
 
 
 
 
 
 
Licenciatura em: Engenharia Eletromecânica 
Grupo: Nº 5 
 
 
 
 
 
Viana. Outubro de 2019 
 
 
 
 
 
 
 
Campus Universitário de Viana 
Universidade Jean Piaget Angola 
(Criada pelo Decreto nº 44- A/01 de 6 de Julho de 2001) 
 
Faculdade de Ciências e Tecnologias 
 
 
 
Processos Tecnológicos 
 
PROCESSOS TERMOQUÍMICOS DE CEMENTAÇÃO E 
NITRETAÇÃO 
 
Integrantes do grupo: 
1. Delegado Francisco Ganga 
2. Edilson Santos Caetano Bumba 
3. Lussende Afonsina António Afonso 
4. Mateus de Jesus Gime 
5. Osnet Solange de Oliveira Vasco 
6. Paulo Reis Campos 
7. Pedro Barros Francisco 
8. Valdimira Maria Pontes Bernardo 
 
 
 
 III 
EPÍGRAFE 
 
Quatro coisas que não têm retorno: a palavra dita; a flecha lançada; 
O tempo passado; a oportunidade negligenciada. 
“Al Halif Omar Ibn” 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 IV 
AGRADECIMENTOS 
Nós gradecemos a todos que direta ou indiretamente nos ajudaram para que esse 
trabalho de investigação fosse escrito. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 V 
ÍNDICE GERAL 
 
Sumário 
EPÍGRAFE ..................................................................................................................... III 
AGRADECIMENTOS ................................................................................................... IV 
ÍNDICE DAS FIGURAS ............................................................................................... VI 
RESUMO ...................................................................................................................... VII 
ABSTRACT ................................................................................................................. VIII 
INTRODUÇÃO .............................................................................................................. 10 
1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS .............................................................................. 11 
2. TRATAMENTO TERMOQUÍMICO DE CEMENTAÇÃO .................................. 13 
2.1 FORMAÇÃO DA CAMADA CEMENTADA ........................................................ 15 
2.2 CEMENTAÇÃO SÓLIDA ....................................................................................... 16 
2.3 CEMENTAÇÃO GASOSA ..................................................................................... 18 
2.4 CEMENTAÇÃO LÍQUIDA ..................................................................................... 19 
2.5 CEMENTAÇÃO A PLASMA ................................................................................. 20 
2.6 CEMENTAÇÃO A VÁCUO ................................................................................... 21 
3. TRATAMENTO TERMOQUÍMICO DE NITRETAÇÃO .................................... 22 
3.1 NITRETAÇÃO A GÁS ............................................................................................ 24 
3.2 NITRETAÇÃO EM BANHO DE SAL (LÍQUIDA) ............................................... 25 
3.3 NITRETAÇÃO A PLASMA ................................................................................... 26 
CONCLUSÕES E CONSIDERAÇÕES FINAIS .......................................................... 31 
REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS ........................................................................... 32 
 
 
 
 
 VI 
ÍNDICE DAS FIGURAS 
 
Figura 1-Principais tratamentos termoquímicos ............................................................. 12 
Figura 2-Aspecto de uma engrenagem após tratamento termoquímico de cementação . 14 
Figura 3- Microestrutura de uma amostra cementada .................................................... 15 
Figura 4- Cementação sólida em caixa ........................................................................... 16 
Figura 5.-Componentes da Cementação sólida em caixa. .............................................. 16 
Figura 6- Gráfico da Cementação sólida em caixa ......................................................... 17 
Figura 7-Cementação líquida.......................................................................................... 19 
Figura 8.-Componentes da Cementação liquida. ............................................................ 19 
Figura 9- Comparação dos perfis de carbonos obtidos por cementação a plasma e a gás.
 ........................................................................................................................................ 21 
Figura 10- Esquema típico das zonas de uma camada nitretada .................................... 22 
Figura 11- processo termoquímico de nitretação. .......................................................... 23 
Figura 12- Dissociação da amônia em nitrogênio e absorção pelo aço. ......................... 24 
Figura 13-Microestrutura de aço AISI 1015, nitretado por meios gasosos .................... 24 
Figura 14-Microestrutura de aço-carbono nitretado por meios líquidos ........................ 25 
Figura 15- processo termoquímico de nitretação a plasma ............................................ 26 
Figura 16- Esquema de um sistema simples de nitretação à plasma .............................. 28 
Figura 17- Efeito da composição do gás na camada nitretada a plasma. ....................... 30 
 
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 VII 
RESUMO 
 
 O tratamento termoquímico é um dos processos utilizado nas industriais 
metalúrgicas para o endurecimento superficial dos aços, pela modificação parcial da sua 
composição química, nas secções que se deseja endurecer. O presente trabalho tem como 
objetivo o estudo dos processos termoquímicos por cementação e nitretação, utilizados 
para o tratamento de componentes que necessitam de altas durezas superficiais e de 
grandes resistências ao desgaste, fadiga, corrosão, como também as vantagens e 
desvantagens que as mesmas apresentam. Demonstraremos que o processo de 
cementação, é utilizado para o tratamento de componentes que necessitam de alta dureza 
superficial e de grande resistência ao desgaste, e ainda observaremos a espessura da 
camada que cada tratamento termoquímico proporciona ao material, 
 
Palavras-chave: Tratamentos termoquímicos Nitretação, cementação, deformação, 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 VIII 
ABSTRACT 
 Thermochemical treatment is one of the processes used in metallurgical industries 
for the surface hardening of steels, by partially modifying its chemical composition, in 
the sections to be hardened. The present work aims to study the thermochemical processes 
by carburizing and nitriding, used for the treatment of components that require high 
surface hardness and high resistance to wear, fatigue, corrosion, as well as their 
advantages and disadvantages. We will demonstrate that the carburizing process is used 
for the treatment of components that require high surface hardness and high wear 
resistance, and we will also observe the thickness of the layer that each thermochemical 
treatment provides to the material, 
 
Keywords: Thermochemical treatments Nitriding, carburizing, deformation, 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 IX 
 
 
 
 
 
 
 
 
 10 
 
INTRODUÇÃO 
 
 O processo de cementação é largamente utilizado para a fabricação de 
componentes que necessitam de alta dureza superficial e de grande resistência ao 
desgaste, (como pinhões, engrenagens, eixos etc.), porém, devido às características do 
processo (temperaturas acima de 900 ºC, resfriamento brusco, mudança de fases etc.), 
este tratamento termoquímico ocasiona, em geral, grandes deformações, que podem ser 
definidas como mudanças dimensionais irreversíveis e usualmente imprevisíveis em 
componentes. 
 A nitretação é outro processo termoquímico utilizado também em aplicações que 
requeiram elevadas durezas superficiais e grande resistência ao desgaste. Contudo, ao 
contrário da cementação, as deformações são mínimas, pois o processo é realizado a 
baixas temperaturas (350 a 575 ºC) e não necessita de resfriamento rápido para produzir 
o endurecimento da camada nitretada. 
 Como os dois processos apresentam objetivos similares, há casos onde a nitretação 
poderia ser usada para substituir a cementação, porém, esta mudança somente pode ser 
viabilizada quando se conhecer as diferenças de cada processo. O conhecimento das 
diferenças entre os processos tem muitos aspectos a serem considerados, tais como, 
comparações das deformações geradas, durezas superficiais, perfis das camadas 
endurecidas, custos de fabricação, dentre outros. É dentro deste aspecto que se insere este 
estudo, ou seja, veremos as características de ambos os processos e a diferença dos 
mesmos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 11 
1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS 
 
 Tratamento térmico: é o processo de aquecimento e resfriamento, em condições 
controladas de ligas metálicas, ferrosas e não ferrosas, onde se objetiva modificar as suas 
propriedades. Dessa forma obtém-se uma variedade de propriedades que permitem que 
as ligas sejam adequadas a diversas aplicações, conseguindo-se tais efeitos com reduzidos 
gastos financeiros. 
 O emprego de ligas metálicas nos vários setores da engenharia e da indústria é 
baseado principalmente nas suas propriedades mecânicas; ou seja, na sua capacidade de 
suportar as cargas a que estão sujeitas quando em serviço. As propriedades dependem 
grandemente da estrutura cristalina ou granular e estão intimamente relacionadas com sua 
composição química de fabricação. Estruturas brutas e encruadas fogem dos valores de 
característica mecânica considerados normais, desse modo, o controle da estrutura 
metálica passa a ser um fator decisivo para a correta seleção e aplicações dos materiais 
metálicos. O meio mais seguro, mais eficiente e mais utilizado para controlar a estrutura 
desses materiais é o tratamento térmico, o que significa que, uma vez fixada a composição 
química do material, seu tratamento térmico pode determinar, em definitivo, a estrutura 
desejada e, em consequência, as propriedades finais. 
 Os tratamentos térmicos não alteram a composição química do aço. Contudo, às 
vezes, necessita-se submeter o aço a alterações em sua composição química para melhorar 
as propriedades de sua superfície. Essas modificações são obtidas por meio de 
tratamentos termoquímicos. 
 
 Os tratamentos termoquímicos visam igualmente o endurecimento superficial dos 
aços e o aumento da resistência ao desgaste de sua superfície, ao mesmo tempo em que 
seu núcleo se mantém dúctil, pela inserção de elementos que reagirão com os elementos 
contidos no aço, promovendo uma mudança na estrutura do material e, 
consequentemente, em suas propriedades mecânicas e químicas. Este endurecimento não 
é uma simples transformação de austenita em martensita. 
 Na verdade, em razão das condições do ambiente aonde eles são realizados, 
ocorrem reações químicas entre a atmosfera deste ambiente e os elementos contidos no 
aço. Os meios que propiciam essas condições adequadas, para que as reações ocorram 
podem ser sólidos, líquidos ou gasosos. 
 
 12 
Figura 1-Principais tratamentos termoquímicos. 
 Os tratamentos termoquímicos têm como objetivo aumentar a dureza e a 
resistência do material ao desgaste de sua superfície, mantendo o núcleo dúctil e tenaz. 
Os principais são cementação,nitretação, cianetação, carbonitretação e boretação, 
conforme se apresentam no esquema da Figura 1. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Uma diferença fundamental quando se comparam processos de difusão, como a 
cementação e a nitretação é que a primeira ocorre no campo austenítico onde a 
solubilidade dos intersticiais é superior. Já a nitretação é realizada no campo ferrítico, que 
possui uma baixa solubilidade para elementos de liga intersticiais como, por exemplo, o 
nitrogênio. 
Os fatores que influenciam no controle do processo são: 
➢ Potencial do meio (sólido, líquido, gasoso ou plasma), em que a peça está imersa, 
de fornecer o elemento químico (carbono, nitrogênio, boro etc.); 
➢ Capacidade da peça em absorver esses elementos. Isso está relacionado com a 
solubilidade e a difusão do elemento químico no aço. 
 
 
 
 
 
 13 
2. TRATAMENTO TERMOQUÍMICO DE CEMENTAÇÃO 
 
 A cementação é a técnica de endurecimento superficial mais amplamente 
utilizada, ela consiste no enriquecimento superficial de uma peça metálica com carbono 
para que após o tratamento de têmpera a peça apresente uma superfície mais dura e 
resistente. 
 O tratamento de cementação é o mais conhecido e aplicado, dentre os tratamentos 
termoquímicos, pois permite o emprego dos três meios que propiciam as condições 
adequadas para que ocorram as reações químicas de endurecimento superficial: sólido, 
líquido e gasoso. Na cementação o elemento fundamental é o carbono, que pode ser 
obtido na forma de carvão (sólido), monóxido de carbono (gasoso) ou em banhos de 
cianeto (líquido). De preferência, o material que será utilizado neste processo deve 
possuir baixo teor de carbono, (variando entre 0,1 e 0,25%,) em sua composição, 
propiciando uma reação, quando aquecidos, entre o ferro do aço e o meio, que está rico 
em carbono. Desse modo, a superfície do aço fica enriquecida de carbono até 
profundidades que podem ser preestabelecidas, permitindo, assim, a sua têmpera 
posterior, para aumento superficial da dureza e resistência ao desgaste. 
 
 Os processos usuais de cementação elevam o teor superficial de carbono em até 
0,8% ou 1,0%. As temperaturas do processo variam de 850°C a 950°C porque, nessa 
faixa, o ferro está na forma alotrópica gama, uma forma que absorve e dissolve o carbono 
mais facilmente que as outras, devido as posições intersticiais da estrutura CFC da 
austenita (forma alotrópica gama) serem maiores que as da estrutura CCC da ferrita 
(alpha). Isso permite uma deformação muito menor sobre os átomos de ferro 
circunvizinhos. 
 Uma engrenagem temperada superficialmente é mostrada na Figura 2 onde a 
superfície do dente está escurecida em função do tratamento térmico superficial, após 
ataque com reagente químico nital (solução alcoólica de ácido nítrico), permanecendo o 
núcleo claro inalterado. 
 
 
 
 
 
 14 
Figura 2-Aspecto de uma engrenagem após tratamento termoquímico de cementação. 
 
 
 
 
 
 
 
 
CARACTERÍSTICAS: 
 Aquecimento e manutenção do material a altas temperaturas. Atmosfera rica em 
carbono (meio sólido, líquido ou gasoso). Difusão do carbono na superfície da peça. 
Resfriamento: em geral é realizado no ar. 
Profundidade de cementação: 
 Varia com a temperatura do tratamento e o tempo de permanência a essa 
temperatura. Profundidade: entre 0,01 até no máximo 3,0 mm 
Fator temperatura na cementação: 
 A velocidade de difusão do carbono está diretamente ligada a temperatura. Quanto 
maior a temperatura menor o tempo de permanência da peça no forno. Na fase austenítico 
a solubilidade do C é suficiente para chegar a percentagem necessária para a cementação. 
Em altas temperatura o tamanho do grão (grande), pode resultar em baixa tenacidade no 
material. 
Fator tempo na cementação: 
 A difusão do carbono é em função do tempo em que a peça fica na temperatura de 
tratamento. A profundidade atingida no processo é proporcional a raiz quadrada do 
tempo. Para camadas com profundidades maiores, maior o tempo de tratamento. 
Quanto maior a profundidade requerida: 
 Maior o consumo de energia e a ocupação do equipamento. Resulta em um 
processo antieconômico para grandes profundidades de camadas. 
Na pratica obtém-se com a cementação: 
➢ Espessura limitada à 2,5 mm; 
➢ Tempo de cementação aproximada em 25h; 
➢ Temperatura do processo de 950°C. 
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 15 
Figura 3- Microestrutura de uma amostra cementada. 
2.1 FORMAÇÃO DA CAMADA CEMENTADA 
 A camada cementada apresenta uma concentração variável de carbono ao longo 
da profundidade, decrescendo a partir da superfície em direção ao núcleo. A camada é 
constituída de austenita saturada em carbono que se transforma em martensita por meio 
do tratamento de têmpera. Na têmpera a taxa de resfriamento deve ser suficiente rápida 
para assegurar a completa transformação de austenita em martensita. As principais 
características da martensita são alta dureza e baixa ductilidade. A martensita 
transformada a partir da austenita é acompanhada por um acréscimo de volume da ordem 
de 3%. 
 Este acréscimo de volume é a principal razão das altas tensões residuais nas peças 
cementadas, que podem causar deformações e trincas nas mesmas. Após o tratamento de 
têmpera as peças seguem para o tratamento de revenido que alivia as tensões internas e 
promove a formação de martensita revenida. A Figura 3 mostra a região cementada de 
uma peça. Para o processo convencional de cementação a gás a profundidade da camada 
cementada varia de 0,5 a 2,0 mm dependendo das condições de tempo e temperatura 
empregadas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
O processo de cementação pode ser feito por: 
➢ Sólida; 
➢ Gasosa; 
➢ Líquida; 
➢ Plasma: 
➢ Vácuo. 
 
 16 
Figura 4- Cementação sólida em caixa. 
Figura 5.-Componentes da Cementação sólida em caixa. 
2.2 CEMENTAÇÃO SÓLIDA 
A cementação sólida ou em caixa é realizada inserindo a peça dentro da caixa feita 
em aço, e dentro desta caixa é colocado um pó cementante rico em carbono, geralmente 
compostos de carvão de lenha, coque, carbonato de cálcio e óleo de linhaça. Esta caixa é 
colocada dentro do forno com temperatura em torno de 900 °C chegando, às vezes, a 
1095°C, durante o tempo necessário para obtenção da camada desejada. A essa 
temperatura o oxigênio presente no ar se combina com o carbono do carvão mineral 
produzindo dióxido de carbono (C + O2 ⇋ CO2). O dióxido de carbono se une com o 
carbono do carvão, gerando monóxido de carbono (CO2 + C ⇋ 2CO), entretanto, o 
mesmo irá se adaptar com o ferro do aço, gerando mais CO2 (3Fe + 2CO ⇋ Fe3C + CO2). 
A essa temperatura, o carbono no meio cementante passa por difusão para a superfície da 
peça. A peça deve ser temperada para que não ocorra o amolecimento da sua superfície. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
MATERIAL DAS CAIXAS: 
 O tempo de permanência no forno pode variar de 1 a 30 horas, e a camada 
cementada varia de 0,3 mm a 2,0 mm. Podem ser de aço baixo carbono ou aço inoxidável. 
Aço carbono com revestimento de alumínio, que prolonga significativamente a vida das 
caixas, é atualmente o material de menor custo por peso de peça cementada. 
 
 
 
 
 
 
 17 
Figura 6- Gráfico da Cementação sólida em caixa. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
VANTAGENS: 
➢ Pode utilizar uma grande variedade de fornos, pois produz sua própria atmosfera 
cementante; 
➢ É ideal para peças que precisam de resfriamento lento após a cementação, como 
as que serão usinadas antes do tratamento de têmpera. 
DESVANTAGENS: 
➢ Não é indicada para camadas que devem ser controladas dentro de uma tolerância 
estreita; 
➢ Não permite controle do potencial de carbono na superfície da peça; 
➢ Não é recomendada para têmpera direta após cementação, devido à dificuldade de 
desempacotaras peças; 
➢ É mais lenta que os outros processos de cementação, pois é preciso aquecer e 
resfriar a peça junto com a caixa que a contém. 
 
 
 
 18 
2.3 CEMENTAÇÃO GASOSA 
 O tratamento de cementação gasosa consiste em obter monóxido de carbono a 
partir de gases (metano, etano, propano etc.) fortemente carburizantes. Esse processo 
economiza energia e permite cementar a peça com mais uniformidade. A cementação 
gasosa é realizada em câmaras de gases que contém carbono. As reações que produziram 
carbono para a cementação gasosa podem ser resumidas nas equações de (4) a (7). 
CO + H2 = (C) + H2O (4) 
2CO = (C) + CO2 (5) 
CH4 = (C) + 2H2 (6) 
C3H8 = (C) + XC2H6 + YC2H4 + 2H2 (7) 
 
 É o processo mais eficiente, pois permite cementar as peças com maior 
uniformidade e com economia de energia. Utiliza gás butano (de cozinha) ou gás natural 
para a geração de carbono. A temperatura varia de 850 a 950°C. Após a cementação, o 
aço é temperado em óleo, onde poderá ocorrer a formação de martensita. A cementação 
gasosa é muito empregada industrialmente. A limpeza inicial da superfície é muito 
importante para a obtenção de resultados uniformes. Permite melhor controle do teor de 
carbono, da espessura da camada cementada, da temperatura e do tempo. 
 
Profundidade da camada cementada: 
Varia de 0,5 a 2,0 mm, usualmente, e depende, além do tempo e da temperatura, do 
potencial de carbono no forno. 
VANTAGENS: 
➢ Processo mais limpo que por via sólida; 
➢ Melhor controle do teor de carbono e da espessura da camada cementada; 
➢ Processo rápido e para produção contínua; 
➢ Possibilita a têmpera direta, evitando o resfriamento. 
DESVANTAGENS: 
➢ Custo alto dos equipamentos, se comparados com os da cementação sólida; 
➢ Requer pessoal habilitado. 
 
 
 
 
 19 
Figura 7-Cementação líquida. 
Figura 8.-Componentes da Cementação liquida. 
2.4 CEMENTAÇÃO LÍQUIDA 
 Consiste em se manter o aço em um banho de sal fundido em uma temperatura e 
930 a 950°C. Nessa temperatura, os sais se tornam líquidos, pois se fundem por volta de 
650°C. Em seguida, as peças preaquecidas a 400ºC são mergulhadas em banho fundido. 
A função do preaquecimento é a de eliminar água e evitar choque térmico. Resfria-se a 
peça em salmoura com 10 a 15% de cloreto de sódio (NaCl), ou em óleo de têmpera. 
Como o sal fundido contém cianeto de sódio (NaCN) e cianato de sódio (NaCNO), a 
camada endurecida contém apreciável quantidade de nitrogênio, que pode formar nitretos. 
Os nitretos aumentam a resistência ao desgaste e reduzem o amolecimento durante os 
tratamentos térmicos, como o revenimento. 
 
 
 
 
 
 
 
 
VANTAGENS: 
➢ Obtenção de apreciáveis profundidades de penetração em tempo relativamente 
mais curto que na cementação a gás, pois a peça entra em contato direto com a 
massa líquida; 
➢ Proteção efetiva contra descarbonetação; 
➢ Possibilidade de operação contínua, pela colocação ou retirada das peças; 
enquanto outras ainda estão em tratamento. 
DESVANTAGENS: 
➢ Produz resíduos tóxicos de cianeto; 
➢ Necessidade de limpeza posterior em alguns casos, como a têmpera em óleo. 
 
 
 
 
 
 
 20 
2.5 CEMENTAÇÃO A PLASMA 
 O processo de cementação a plasma é utilizado nos últimos anos em uma série de 
ramos da indústria. Seus benefícios foram aplicados no tratamento térmico de peças 
automotivas e, recentemente, vem sendo aplicado na indústria aeroespacial. A 
cementação a plasma é um processo que gera uma camada superficial de carboneto que 
aumenta a dureza e a resistência ao desgaste da peça. Na cementação a gás, os gases de 
hidrocarbonetos reagem com a superfície do metal, aumentando o seu teor de carbono. 
Na cementação a plasma, por outro lado, esses reagentes gasosos formam um plasma que 
é usado para tratar a superfície do componente em tratamento. 
 O processo de cementação a plasma é mais rápido do que a cementação 
convencional. Isto está atrelado ao fato do metano, ao contrário do que ocorre nos 
processos convencionais de cementação, pode se dissociar diretamente em carbono ativo 
no processo a plasma, o que permite a saturação da peça de forma mais rápida e promove 
um elevado gradiente de composição química. Isto pode ser observado na Figura 9 onde 
se observa que, para as mesmas condições, uma camada cementada a plasma foi obtida 
num tempo bem inferior ao do processo convencional a gás. 
Os principais parâmetros que afetam o processo de cementação a plasma são: 
➢ Temperatura e tempo de tratamento; 
➢ Composição da mistura gasosa; 
➢ Pressão da mistura gasosa; 
➢ Diferença de potencial e corrente; 
➢ Vazão do gás; 
➢ Presença ou não de uma fonte de aquecimento auxiliar. 
 A cementação a plasma oferece uma série de vantagens sobre cementação a 
gás tradicional. As camadas carbonizadas produzidas pelo processo têm melhores 
estrutura e propriedades mecânicas. Dessa forma, não há oxidação interna e a camada tem 
melhor uniformidade, o que, muitas vezes, leva a menor distorção do componente 
cementado. Além disso, controlar a formação de camadas cementadas a plasma é mais 
fácil visto que a quantidade de carbono transferida para a superfície depende da densidade 
de corrente elétrica de plasma aplicada, o que pode ser monitorado e controlado. Como 
resultado, o processo oferece muito boa reprodutibilidade. 
A cementação a plasma pode oferecer tempos de aplicação menores do que os processos 
tradicionais, em parte, graças ao uso de altas temperaturas. 
 
 21 
Figura 9- Comparação dos perfis de carbonos obtidos por cementação a plasma e a gás. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 No caso, em cementação a profundidades de 2,5 a 3 mm, podem-se alcançar resultados 
satisfatórios por cementação a plasma em baixa pressão em cerca de 20 horas, 
aproximadamente metade do necessário nos processos convencionais. 
 
2.6 CEMENTAÇÃO A VÁCUO 
 O aço é austenitizado em uma câmara a vácuo (0,1 a 0,5 torr), com posterior 
injeção de gás cementante (metano ou propano, puros ou misturados) em uma pressão 
parcial entre 10 e 200 torrs e mantido entre uma e três horas na temperatura de 
austenitização para possibilitar a difusão do C. Em seguida, a câmara é evacuada e, 
posteriormente, preenchida com gás nitrogênio, sendo o aço temperado diretamente em 
óleo. A amônia pode ser adicionada ao gás cementante se for necessária a introdução de 
nitrogênio na camada endurecida. 
 O processo oferece uma melhor uniformidade e um controle mais preciso da 
camada cementada em relação á cementação gasosa. Como o processo todo é a vácuo, as 
peças saem muito mais limpas que na cementação gasosa, não requerendo limpeza 
posterior. A emissão de gases também é menor que na cementação gasosa, reduzindo 
problemas ambientais. Em contrapartida, o custo do equipamento é maior. 
 
 22 
Figura 10- Esquema típico das zonas de uma camada nitretada. 
3. TRATAMENTO TERMOQUÍMICO DE NITRETAÇÃO 
 
Nitretação é um processo de endurecimento superficial, que introduz nitrogênio 
na superfície do aço a temperaturas geralmente na faixa de 500 a 570 ºC, ou seja, o aço 
continua na fase ferrítica (ou apresentando cementita, dependendo da composição da 
liga). Nitretação é, portanto, similar a cementação pelo fato de difundir um elemento 
químico na estrutura do aço, alterando sua composição química, porém o nitrogênio é 
difundido na ferrita, enquanto a cementação difunde o carbono na austenita. 
A nitretação não necessita de aquecimento do aço até o campo austenítico nem de 
resfriamento brusco a partir da temperatura de tratamento para formar a camada 
endurecida, visto que o objetivo é a formação de nitretos e não de martensita como na 
cementação ou na têmpera. Isto significa que a nitretação pode ser realizada com um 
mínimode distorções e excelente controle dimensional. 
 
 A camada nitretada resultante dos processos de nitretação líquida e gasosa é 
composta de três regiões. Uma superficial, denominada de camada branca ou camada de 
compostos onde o termo “branca” está relacionado com a resistência ao ataque do 
reagente químico “nital” (ácido nítrico diluído em álcool) utilizado para examinar a 
camada nitretada. Em seguida, tem-se a zona de difusão e logo abaixo a zona de transição. 
A figura 10 ilustra uma típica camada nitretada. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 A camada branca é composta de nitretos de ferro (γ'-Fe4N e/ou ε-Fe2-3N) ou uma 
camada complexa de nitretos, envolvendo ferro e os elementos de liga. Esta camada é 
responsável pelas melhorias nas propriedades tribológicas e anticorrosivas. 
 
 23 
Figura 11- processo termoquímico de nitretação. 
 A zona de difusão pode ser descrita como a microestrutura original do núcleo do 
metal, onde o nitrogênio pode ser encontrado intersticialmente dissolvido dentro da ferrita 
ou sob a forma de precipitados de nitretos de ferro ou de outros elementos de liga 
presentes no aço tratado. Esta região é responsável pela melhora na resistência à fadiga. 
A zona de transição é a passagem entre a zona de difusão e o núcleo do material. As 
distorções introduzidas pelo nitrogênio no reticulado aumentam sensivelmente a dureza 
da peça. A nitretação aumenta a dureza superficial, a resistência ao desgaste, a resistência 
à fadiga ao calor e a resistência à corrosão. 
 A nitretação é muito utilizada na indústria metalomecânica (automobilística, por 
exemplo), sendo aplicada em peças como virabrequins, camisas de cilindros, pinos, 
rotores que precisam ter alta resistência ao desgaste sob temperatura relativamente 
elevada. 
 . Os aços que melhor se prestam a esse tratamento são os que contêm cromo, 
molibdênio, alumínio e níquel. Em geral, a nitretação é feita depois da têmpera e do 
revenimento. Assim, as peças nitretadas não precisam de nenhum outro tratamento 
térmico, o que contribui para um baixo índice de distorção ou empenamento. A nitretação 
pode ser feita: 
➢ A gás; 
➢ Em banho de sal (líquida); 
➢ Plasma. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 24 
Figura 12- Dissociação da amônia em nitrogênio e absorção pelo aço. 
Figura 13-Microestrutura de aço AISI 1015, nitretado por meios gasosos. 
3.1 NITRETAÇÃO A GÁS 
 
 
 
 
 
 A temperatura conveniente neste processo é de 500 a 530ºC, e sua duração varia 
de 40 a 90 h. Nessa temperatura, a amônia (NH3) é decomposta, e o nitrogênio, na camada 
superficial da peça, atinge uma profundidade de até 0,8 mm, conforme pode ser observado 
na Figura 12. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Formar-se-á uma camada na superfície metálica de nitretos de ferro, cromo, 
molibdênio e níquel (alta dureza). Decorrido o tempo de aquecimento no forno, as peças 
são retiradas e resfriadas ao ar. 
 
 
 
 
 
 
 
 25 
Figura 14-Microestrutura de aço-carbono nitretado por meios líquidos. 
3.2 NITRETAÇÃO EM BANHO DE SAL (LÍQUIDA) 
 O aquecimento é feito na mesma faixa de temperatura da nitretação a gás (500 a 
570°C), utilizando um banho a base de cianeto ou cianato. A grande vantagem sobre a 
nitretação a gás é que o tempo utilizado é bem menor. A desvantagem é que a camada 
nitretada também é menor (máxima de 0,015mm contra 0,7mm da nitretação a gás). Os 
aços empregados são: carbono, baixa liga, ferramenta, inoxidável e resistente ao calor. 
As peças são mergulhadas num banho de sais fundidos, que são as fontes de nitrogênio, 
as peças permanecem no banho apenas 2 ou 3 horas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
VANTAGENS: 
➢ Alta dureza com alta resistência ao desgaste; 
➢ Alta resistência à fadiga; 
➢ Melhor resistência à corrosão; 
➢ Alta estabilidade dimensional; 
➢ Acabamento por usinagem antes do tratamento. 
 
 
 
 
 26 
Figura 15- processo termoquímico de nitretação a plasma. 
3.3 NITRETAÇÃO A PLASMA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Devido sua versatilidade no controle microestrutura da superfície nitretada, baixo 
custo de operação e adequação a legislação ambiental, o processo de Nitretação a Plasma 
deve possibilitar que o tratamento termoquímico de nitretação venha a manter uma 
posição de destaque dentre os tratamentos superficiais modernos. 
 Esse processo foi desenvolvido por Berghaus no início dos anos 30. Os avanços 
tecnológicos, principalmente relacionados à eletrônica, automação e informatização, 
permitiram o pleno desenvolvimento da tecnologia de plasma a partir da década de 80. 
 
 O plasma consiste de um gás ionizado e, em geral, é composto por partículas 
neutras, positivas e negativas (átomos, moléculas, elétrons, íons), num campo eléctrico, 
e uma nuvem de átomos neutros. O número de elétrons e íons positivos é igual ou perto 
da igualdade em plasmas neutros. O plasma é o meio de transporte do nitrogênio que 
torna possível a nitretação. Os íons são acelerados na direção do material pela aplicação 
de um campo elétrico negativo nas peças a serem tratadas. Após a implantação, esses íons 
neutralizam-se e penetram por difusão térmica no corpo do material. A presença de 
oxigênio (em geral, ar ambiente residual) deve ser controlada para permitir boa formação 
da camada nitretada. 
 
 
 
 
 
 27 
 O mecanismo pelo qual ocorre a ionização pode ser explicado como segue: 
quando uma diferença de potencial é aplicada entre dois eletrodos imersos em um meio 
gasoso a baixa pressão, os elétrons livres no meio são acelerados por um campo elétrico 
gerado entre os eletrodos e colidem com átomos de gás. Como resultado destas colisões, 
mais elétrons são produzidos e acelerados pelo campo elétrico, tornando o processo em 
cadeia, até atingir um equilíbrio entre colisões e ionização. As colisões mais importantes 
são as inelásticas, conduzindo a excitação e ionização. 
 Como o estado excitado é um estado instável, a átomo tende a retornar ao seu 
estado fundamental, o que ocorre pelo decaimento dos elétrons a estados inferiores 
resultando na emissão de luz (fótons), processo este responsável pela luminescência no 
plasma. 
 As colisões que causam ionização criam elétrons e íons, os íons são acelerados 
pelo campo elétrico em direção ao cátodo. Na colisão íon cátodo, elétrons são arrancados 
e ao colidirem com outros átomos, produzirão novos elétrons e íons. Esse mecanismo é 
responsável pela sustentação da descarga em plasma, geração de colisões em cascata, 
criação de defeitos pontuais e aquecimento localizado. 
 
EQUIPAMENTOS, PROCESSAMENTO E VARIÁVEIS IMPORTANTES: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 28 
Figura 16- Esquema de um sistema simples de nitretação à plasma. 
 A Figura 16 mostra a configuração básica mínima de um equipamento de 
nitretação a plasma. Uma bomba de vácuo é conectada à câmara e uma válvula controla 
a entrada dos gases utilizados para a nitretação. As amostras são colocadas de forma a 
estarem em contato elétrico com o catodo e, em geral, o próprio corpo do reator funciona 
como anodo, estando na potencial terra. Os instrumentos mínimos de controle de processo 
incluem um termopar, voltímetro, amperímetro e medidor de pressão. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 O processo de nitretação a plasma é dividido em duas etapas: “pulverização 
catódica” (sputtering) e nitretação propriamente dita. Na primeira etapa utiliza-se uma 
mistura gasosa contendo (principalmente) argônio e hidrogênio. Enquanto o hidrogênio 
tem o papel de estabilizar o plasma e contribuir com a redução dos óxidos superficiais, o 
argônio, que tem um núcleo pesado, é ionizado e acelerado em direção à amostra, 
colidindo e sendo capaz de ejetar átomos presentes na superfície, através do fenômeno da 
pulverização catódica (sputtering). 
 
 
 
 29 
 A eficiência desse fenômeno depende da relação depeso entre o íon incidente e 
os átomos que compõem a superfície, da velocidade de chegada e da força de ligação 
entre os átomos do sólido. De um modo geral, o gás utilizado é o argônio, por ter o melhor 
fator incidência/emissão entre os gases nobres, por ser inerte e por ser relativamente 
barato e de fácil aquisição. 
 Após o tempo necessário para que a camada de óxido superficial seja removida, 
passa-se então para a nitretação propriamente dita. Nessa etapa utiliza-se uma mistura de 
gases contendo basicamente nitrogênio e hidrogênio, em proporções que variam de 
acordo com a aplicação (podendo ir de 5% a 95%). A pressão neste caso é mais alta, já 
que o objetivo é fazer com que o nitrogênio penetre na superfície e se difunda, ao invés 
de ser usado para ejetar átomos e removê-los do meio. Maior teor de hidrogênio na 
atmosfera reduz a espessura das camadas endurecidas. 
 
 Uma vez que a atmosfera nitretante é um plasma, o processo é fortemente 
acelerado. A energia das colisões dos íons e átomos contra o material sendo nitretado, 
proveniente da aceleração no campo elétrico aplicado, gera movimentação e vibração 
mais intensa nos átomos superficiais (colisão de cascatas), além de defeitos cristalinos 
como lacunas e outros. Tudo isso faz com que a difusão do nitrogênio seja mais rápida 
na região próxima à superfície, aumentando a profundidade da camada quanto maior a 
energia do plasma. 
 A temperatura é muito importante, já que a formação de nitretos e a difusão do 
nitrogênio em direção ao interior da amostra são processos termo quimicamente ativados. 
Nesse caso, porém, devido à pressão mais elevada, é fácil atingir temperaturas mais 
elevadas simplesmente pelo aquecimento gerado pelo plasma. A formação da camada na 
nitretação a plasma pulsado é controlada por diversos fatores como temperatura, 
frequência, pulso, pressão, fluxo, composição dos gases, condições de pulverização 
catódica, material a ser nitretado, entre outros. Variando corretamente esses fatores é 
possível formar diversos tipos de camadas. Uma vez formada a camada desejada, o 
plasma pode ser desligado e a amostra retirada. Em geral a amostra resfria em vácuo ou 
em atmosfera de nitrogênio antes de retirá-la do reator, para evitar a oxidação do material. 
 
 
 
 30 
Figura 17- Efeito da composição do gás na camada nitretada a plasma. 
 O acabamento superficial do aço também influencia na profundidade endurecida 
e a dureza superficial desenvolvida no tratamento de nitretação a plasma. Em geral, maior 
rugosidade da superfície induz menor profundidade de endurecimento e menor dureza 
final. Assim obteremos as desejadas camadas, como está representada na figura 17. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Diferentemente de outros processos, tais como nitretação a gás e banhos de 
sais, a nitretação a plasma permite um controle apurado das espécies que dão 
origem ao processo, resultando um produto de alta qualidade. Os processos a plasma são 
os mais eficientes entre os diferentes métodos de nitretação por uma série de razões. 
VANTAGENS: 
➢ Melhor controle da camada nitretada; 
➢ Tempos e temperaturas de tratamento menores; 
➢ Menor distorção nas peças por trabalhar com menores temperaturas de processo; 
➢ Utilização da energia do próprio plasma para aquecimento do material, 
dispensando em muitos casos aquecimento auxiliar e reduzindo o consumo 
energético; 
➢ Uso de gases inertes, eliminando riscos à saúde e ao meio ambiente; 
➢ Economia desses gases, por ser um processo de baixa pressão; 
➢ Alta flexibilidade e fácil automação, 
➢ Eliminação da presença de poros na camada de compostos. 
➢ Baixa variação dimensional, 
➢ Possibilidade de nitretação localizada, 
DESVANTAGENS: 
➢ Alto custo do equipamento; 
➢ Necessidade de fixar as peças com conectores para passagem de corrente elétrica. 
 
 31 
CONCLUSÕES E CONSIDERAÇÕES FINAIS 
 
 A após um longo período de investigação chegamos à conclusão que os processos 
de tratamento termoquímico têm bastante relevância para o engenheiro eletromecânico, 
pois através deste estudo conseguimos observar que apesar das diferenças durante o 
processo de execução de ambas possuem o mesmo objetivo que é melhorar a estrutura 
molecular a nível da superfície do material submetido a um desses processos a fim reduzir 
o impacto que possíveis forças externas iram ter sobre os materiais. 
 A título de considerações tomamos a liberdade de frisar que para aplicarmos a 
Nitretação ou a Cementação, é de extrema relevância analisar primeiramente a capacidade 
de absorção da peça quando se encontra em um desses processos, sua solubilidade por 
causa dos campos de difusão da Cementação (austenítico) e da Nitretação (Ferrítico) e o 
material de que é feito a peça. Estes parâmetros quando bem analisados, garantem maior 
eficiência durante a elaboração de qualquer um dos dois processos. 
 
 O processo de cementação, ao mesmo tempo em que apresentou a maior 
profundidade endurecida e a maior dureza superficial, apresentou também a maior 
deformação e o maior custo. Observou-se que o tratamento que produziu maior resistência 
ao desgaste foi a cementação gasosa. Foi observado também que, menores tempos de 
tratamento produziram maiores durezas superficiais, devido a concentração do elemento 
endurecedor estar alta na superfície. 
 Maiores tempos de tratamento facilitam a difusão dos mesmos para o substrato, 
diminuindo a dureza superficial e aumentando a profundidade da camada formada. Alta 
resistência ao desgaste pode estar diretamente ligada a altas durezas superficiais, porém, 
foi observado que uma dureza uniforme na camada também produz alta resistência ao 
desgaste, gerada nos tratamentos de maior tempo. Deve-se levar em conta, não somente 
a resistência ao desgaste do material, e sim a efetividade do tratamento como um todo, 
para determinar o tratamento mais adequado à necessidade. Apesar de menor resistência 
ao desgaste comparado aos tratamentos de cementação, o tratamento de nitretação plasma 
produz menor empenamento na peça, pois utiliza-se de menores temperaturas de 
tratamento. 
 
 
 
 32 
REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS 
 
REED-HILL, R. E. Princípios de metalurgia física. Rio de Janeiro: Ed. Guanabara Dois, 
1982. 
SENAI-SP. Processos de fabricação, módulo: tratamento térmico. v. 5. São Paulo. 
Apostila 
Alan, R. M. do Vale, Tratamento Térmico, Belém – PA 2011 
ALVES JÚNIOR, C. “Nitretação a Plasma: Fundamentos e Aplicações” 1ª ed. 
2008. 
PINEDO, C. E. Tratamentos superficiais para aplicações tribológicas. Caderno 
técnico Metalurgia & Materiais. Abril de 2004.