Julio F Baumgarten

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1 
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA - UDESC 
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS - CCT 
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA - DEM 
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS 
E PROCESSOS AVANÇADOS - PGEMPA 
 
 
 
 
Formação: Mestrado em Engenharia de Materiais e Processos Avançados 
 
 
 
 
 
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO OBTIDA POR 
 
 
Júlio Frederico Baumgarten 
 
 
 
 
 
 
 
CEMENTAÇÃO SÓLIDA EMPREGANDO GRANULADO ELABORADO A 
PARTIR DE CARVÃO VEGETAL RECICLADO E ATIVADOR DE CaCO3 
ECOLOGICAMENTE CORRETO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Apresentada em 12 /11 / 2003 Perante a Banca Examinadora: 
 
 
 Dr. César Edil da Costa – Presidente (UDESC) 
Dr. Aloísio Nelmo Klein (UFSC) 
Dr. Guilherme Ourique Verran (UDESC) 
Dr. Luís César Fontana (UDESC) 
2 
DISSERTAÇÃO APRESENTADA PARA 
OBTENÇÃO DO TÍTULO DE MESTRE EM 
ENGENHARIA DE MATERIAIS E PROCESSOS 
AVANÇADOS DA UNIVERSIDADE DO 
ESTADO DE SANTA CATARINA, CENTRO DE 
CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT, 
ORIENTADA PELO PROF. DR. CÉSAR EDIL DA 
COSTA 
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC 
 
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT 
 
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA – DEM 
 
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS 
E PROCESSOS AVANÇADOS - PGEMPA 
 
 
 
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO 
 
Mestrando: JÚLIO FREDERICO BAUMGARTEN – Lic. Plena em Matemática 
 
Orientador: Prof. Dr. CÉSAR EDIL DA COSTA 
 
CCT/UDESC - JOINVILLE 
 
 
 
 
CEMENTAÇÃO SÓLIDA EMPREGANDO GRANULADO ELABORADO A 
PARTIR DE CARVÃO VEGETAL RECICLADO E ATIVADOR DE CaCO3 
ECOLOGICAMENTE CORRETO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Joinville 
2003 
3 
 
 
 
 
 
FICHA CATALOGRÁFICA 
 
 
NOME: BAUMGARTEN, Júlio Frederico 
DATA DEFESA: 12/11/2003 
LOCAL: Joinville, CCT/UDESC 
NÍVEL: Mestrado Número de ordem: 29 – CCT/UDESC 
FORMAÇÃO: Engenharia de Materiais e Processos Avançados 
ÁREA DE CONCENTRAÇÃO: Metais 
TÍTULO: Cementação Sólida Empregando Granulado Elaborado a Partir de Carvão Vegetal 
 Reciclado e Ativador de CaCO3 Ecologicamente Correto 
PALAVRAS - CHAVE: Cementação Sólida, Ativador, Ecologia, Tratamento Térmico. 
NÚMERO DE PÁGINAS: VIII, 93 p. 
CENTRO/UNIVERSIDADE: Centro de Ciências Tecnológicas da UDESC 
PROGRAMA: Pós-graduação em Engenharia de Materiais e Processos Avançados – 
 PGEMPA 
CADASTRO CAPES: 4100201001 P - 9 
ORIENTADOR: Dr. César Edil da Costa 
PRESIDENTE DA BANCA: Dr. César Edil da Costa 
MEMBROS DA BANCA: Dr. Aloísio Nelmo Klein, Dr. Guilherme Ourique Verran, Dr. Luis 
César Fontana 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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À Cléia, 
Diogo, Gustavo e Thales 
 
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AGRADECIMENTOS 
 
Agradeço à Universidade do Estado de Santa Catarina e ao Programa de Pós-Graduação em 
Ciência e Engenharia de Materiais, pela possibilidade da realização desta Dissertação. 
 
Ao Prof. Dr. César Edil da Costa, por sua orientação, incentivo e colaboração na formulação do 
tema e interpretação dos resultados. 
 
À Graix Materiais Avançados Ltda., pelo auxílio na elaboração dos Granulados e doação de todo 
o material para cementação necessário à realização da Dissertação. 
 
À Carbomafra Ltda., pela doação do carvão vegetal ativado reciclado. 
 
À Haas do Brasil Ltda., pela permissão da utilização do forno de tratamento térmico em 
condições industriais. 
 
À Garuva Abrasivos Ltda., pela permissão da realização das análises químicas junto ao 
Espectrômetro de Emissão Ótica Spectrolab®. 
 
À Buehler Ltd. – USA, pela doação do Analisador de Imagens Enterprise® - Omnimet®, 
necessário às capturas metalográficas e análise quantitativa de imagem. 
 
À Natriumville Consultoria e Análises Químicas Ltda., pela realização dos ensaios de 
classificação dos resíduos sólidos. 
 
À Metalab Consultoria e Análise de Materiais Ltda., pela realização dos ensaios para 
caracterização microestrutural e microdureza dos corpos de prova. 
 
Ao Téc. Vanderlei dos Santos, pelo auxílio na medição das microdurezas Vickers e capturas 
digitais das microestruturas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
I 
6 
SUMÁRIO 
 
LISTA DE FIGURAS .................................................................................................................. IV 
 
LISTA DE TABELAS .................................................................................................................. V 
 
SIMBOLOGIAS E ABREVIATURAS ...................................................................................... VI 
 
RESUMO ................................................................................................................................... VII 
 
ABSTRACT ............................................................................................................................. VIII 
 
INTRODUÇÃO ........................................................................................................................... 13 
 
PARTE I – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 
1.1 – História da cementação e tratamentos térmicos ................................................... 15 
1.2 – Os problemas ecológicos na atualidade - armazenamento de resíduos sólidos ... 18 
1.3 – Novos processos de cementação .......................................................................... 20 
1.3.1 – Cementação em Banho Neutro ............................................................... 20 
1.3.2 – Cementação a Vácuo ............................................................................... 22 
1.3.3 – Cementação a Plasma .............................................................................. 23 
1.3.4 – Cementação por Indução ......................................................................... 25 
1.3.5 – Cementação Sólida Ecologicamente Correta .......................................... 26 
1.4 – Mecanismo de Cementação Sólida ...................................................................... 27 
 1.4.1 – Difusão de carbono na austenita ............................................................. 28 
 1.4.2 – Cálculo da cinética de cementação ......................................................... 30 
 
OBJETIVOS ............................................................................................................................... 32 
 
PARTE II – MATERIAIS E MÉTODO EXPERIMENTAL 
 2.1 – Matérias Primas utilizadas .................................................................................. 33 
 2.1.1 – Matérias-primas dos granulados .............................................................. 33 
 2.1.2 – Aços para cementação ............................................................................. 34 
 2.2 – Composição dos Granulados ............................................................................... 35 
 2.3 – Elaboração dos granulados ................................................................................. 35 
 2.3.1 – Mistura dos pós ....................................................................................... 35 
 2.3.2 – Extrusão da massa plástica ...................................................................... 35 
 2.3.3 – Secagem dos grânulos ............................................................................. 35 
 2.3.4 – Pirolização dos grânulos .........................................................................35 
 2.4 – Caracterização Física dos Granulados ................................................................ 37 
 2.4.1 – Densidade aparente ................................................................................. 37 
 2.4.2 – Tamanho dos grânulos ............................................................................ 37 
 2.5 – Caracterização dos Corpos de Prova de Aço ...................................................... 38 
 2.5.1 – Análise química dos aços ........................................................................ 38 
 2.5.2 – Análise metalográfica dos aços ............................................................... 39 
 2.5.3 – Determinação do tamanho de grão ......................................................... 40 
 2.5.4 – Determinação da dureza dos aços ........................................................... 41 
 2.5.5 – Identificação dos corpos de prova ........................................................... 41 
 2.6 – Variáveis dos Processos de Cementação ............................................................. 44 
 2.7 – Método de Cementação Sólida ............................................................................ 45 
 2.8 – Termogramas de Processos ................................................................................. 46 
 2.8.1 – Cementação a 870 ºC .............................................................................. 46 
 2.8.2 – Cementação a 930 ºC ............................................................................... 47 
II 
7 
 2.9 – Equipamentos para caracterização dos corpos de prova ................................. .... 48 
 2.9.1 – Microscópio Ótico Union ................................................................... .... 48 
 2.9.2 – Analisador de imagens Omnimet® - Enterprise® .................................... 48 
 2.9.3 – Microdurômetro Mitutoyo ....................................................................... 49 
 2.9.4 – Espectrômetro de emissão ótica Spectrolab® ...........................................49 
 2.9.5 – Critério e método para o ensaio de microdureza Vickers (mHV) ........... 50 
 2.10 – Perfis teóricos de cementação sólida – Difusão de Carbono .............................51 
 2.10.1 - Determinação dos valores da Profundidade Efetiva de Cementação ..........53 
 
PARTE III – RESULTADOS EXPERIMENTAIS 
 3.1 – Perfis de Microdureza Vickers (mHV) ............................................................... 54 
 3.1.1 – Tabelas de resultados dos ensaios de Microdureza Vickers (mHV) .................59 
 3.2 – Gráficos do valor da profundidade efetiva de cementação (Pc) .......................... 63 
 3.2.1 – Tabelas dos resultados da profundidade efetiva de cementação ...................... 64 
 3.3 – Perfis do Teor de Carbono .................................................................................. 69 
 3.3.1 – Tabelas dos resultados do teor de carbono x profundidade de cementação ..... 73 
 3.4 – Microestruturas resultantes da cementação[ ........................................................ 77 
 3.5 – Classificação dos resíduos de cementação (ABNT 10.004) ............................... 79 
 
DISCUSSÃO DOS RESULTADOS ......................................................................................... 86 
 
CONCLUSÃO FINAL ............................................................................................................... 88 
 
SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ..................................................................... 89 
 
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ....................................................................................... 90 
 
ANEXOS .................................................................................................................................... 93 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
III 
8 
LISTA DE FIGURAS 
 
Figura 1: Fotomontagem esquematizando a cementação superficial 
Figura 2: Processos de cementação industrial 
Figura 3: Cementação na antigüidade 
Figura 4: Quadro egípcio sobre tratamento térmico 
Figura 5: Espada de Aço Damasceno 
Figura 6: Espada em Aço Indiano Wootz 
Figura 7a,b: Processo de cementação líquida 
Figura 8: Curva de cementação obtida no processo PURE CASE® 
Figura 9: Curvas de cementação obtidas no processo NO-CY® 
Figura 10: Forno para cementação a vácuo de câmara simples 
Figura 11: Forno para cementação a vácuo de câmara dupla 
Figura 12: Sistema de multicâmaras para cementação à vácuo 
Figura 13: Curva de cementação a vácuo do aço 18 Cr Ni 8 
Figura 14: Esquematização da unidade de cementação a plasma 
Figura 15: Forno de cementação a plasma 
Figura 16: Termogramas de processos de cementação por indução 
Figura 17: Curva de cementação sólida convencional 
Figura 18: Reação de cementação 
Figura 19: Reações no interior da caixa de cementação 
Figura 20: Difusão do carbono na austenita 
Figura 21: Efeito da temperatura sobre o coeficiente de difusão do carbono no ferro 
Figura 22: Perfil de cementação a 930 ºC 
Figura 23: Fluxograma de processo 
Figura 24: Granulado para cementação – Classe P 70 
Figura 25. Esquematização das regiões de controle 
Figura 26 a,b: Metalografia do aço SAE/ABNT 1020 – condição de fornecimento 
Figura 27 a,b: Metalografia do aço SAE/ABNT 8620 – condição de fornecimento 
Figura 28: Tamanho de grão para o aço SAE/ABNT 1020 
Figura 29: Tamanho de grão para o aço SAE/ABNT 8620 
Figura 30: Variáveis pesquisadas 
Figura 31: Esquematização da carga de cementação 
Figura 32: Forno Industrial Jung TT 200 
Figura 33 a, b, c: Termogramas para cementação a 870 ºC 
Figura 34 a, b, c: Termogramas para cementação a 930 ºC 
Figura 35: Microscópio ótico Union 
Figura 36: Microdurômetro Mitutoyo MVK – G2 
Figura 37: Espectrômetro de Emissão Ótica Spectrocast 
Figura 38: Disposição das impressões de dureza Microvickers (mHV) 
Figura 39: Determinação da profundidade efetiva de cementação (Pc) 
Figura 39 a,b,c,d,e,f : Curvas teóricas de cementação a 870 ºC 
Figura 40 a,b,c,d,e,f : Curvas teóricas de cementação a 930 ºC 
Figura 41 a,b: Valores teóricos para a profundidade de cementação “Pc” 
Figura 42 a,b,c: Cementação do aço SAE/ABNT 1020 a temperatura de 870 ºC 
Figura 43 a,b,c: Cementação do aço SAE/ABNT 1020 a temperatura de 930 ºC 
Figura 44 a,b,c: Cementação do aço SAE/ABNT 8620 a temperatura de 870 ºC 
Figura 45 a,b,c: Cementação do aço SAE/ABNT 8620 a temperatura de 930 ºC 
Figura 46: Profundidade efetiva de cementação do Aço SAE/ABNT 1020, Temperatura de 870 ºC 
Figura 47: Profundidade efetiva de cementação do Aço SAE/ABNT 1020, Temperatura de 930 ºC 
Figura 48: Profundidade efetiva de cementação do Aço SAE/ABNT 8620, Temperatura de 870 ºC 
Figura 49: Profundidade efetiva de cementação do Aço SAE/ABNT 8620, Temperatura de 930 ºC 
IV 
9 
Figura 50 a,b,c: Percentual de Carbono para o Aço SAE 1020 / 870 ºC 
Figura 51 a,b,c: Percentual de Carbono para o Aço SAE 1020 / 930 ºC 
Figura 52 a,b,c: Percentual de Carbono para o Aço SAE 8620 / 870 ºC 
Figura 53 a,b,c: Percentual de Carbono para o Aço SAE 8620 / 930 ºC 
Figura 54: Camada cementada do aço SAE 1020, tratado a 930 ºC / 8 horas / R 1070 
Figura 55: Camada cementada do aço SAE 1020,tratado a 930 ºC / 4 horas / R 1070 
Figura 56: Microestrutura do núcleo do SAE 1020, temperado em água a 25 ºC 
Figura 57: Camada cementada do aço SAE 8620, tratado a 930 ºC / 8 horas / R 1070 
Figura 58: Camada cementada do aço SAE 8620, tratado a 930 ºC / 4 horas / R 1070 
Figura 59: Microestrutura do núcleo do SAE 8620, temperado em óleo a 55 ºC 
Figura 60: Resíduo sólido gerado pelo Granulado P 70 
Figura 61: Resíduo sólido gerado pelo Granulado R 1070 
Figura 62: Resíduo sólido gerado pelo Granulado R 1570 
 
LISTA DE TABELAS 
 
Tabela 1: Desenvolvimento das formulações dos agentes de cementação 
Tabela 2: Composição de operação para banhos de sais de cementação 
Tabela 3: Propriedades do banho Pure Case® 
Tabela 4: Coeficiente de difusão do carbono na austenita 
Tabela 5: Valores da função erro 
Tabela 6: Dados técnicos do carvão vegetal ativado 
Tabela 7: Propriedades físico-químicas do carbonato de cálcio extra leve 
Tabela 8: Formulações dos granulados 
Tabela 9: Densidade aparente dos granulados 
Tabela 10: Controle do tamanho dos granulados 
Tabela 11: Composição química dos aços para cementação 
Tabela 12: Dureza na superfície e núcleo dos aços na condição de fornecimento 
Tabela 13: Relação e nomenclatura dos corpos de prova 
Tabela 14: Valores numéricos para a profundidade de cementação “Pc” 
Tabela 15: Relação das figuras e descrição dos gráficos de cementação 
Tabela 16: Valores de Microdureza do Aço SAE/ABNT 1020 cementado a 870 ºC 
Tabela 17: Valores de Microdureza do Aço SAE/ABNT 1020 cementado a 930 ºC 
Tabela 18: Valores de Microdureza do Aço SAE/ABNT 8620 cementado a 870 ºC 
Tabela 19: Valores de Microdureza do Aço SAE/ABNT 8620 cementado a 930 ºC 
Tabela 20: Profundidade efetiva de cementação do Aço SAE/ABNT 1020 a Temperatura de 870 ºC 
Tabela 21: Profundidade efetiva de cementação do Aço SAE/ABNT 1020 a Temperatura de 930 ºC 
Tabela 22: Profundidade efetiva de cementação do Aço SAE/ABNT 8620 a Temperatura de 870 ºC 
Tabela 23: Profundidade efetiva de cementação do Aço SAE/ABNT 8620 a Temperatura de 930 ºC 
Tabela 24 a,b. Percentual de Carbono em diferentes profundidades – Aço SAE 1020 
Tabela 25 a,b. Percentual de Carbono em diferentes profundidades – Aço SAE 8620 
Tabela 26. Resultados da Lixiviação para o granulado P 35 
Tabela 27. Resultados da Lixiviação para o granulado P 70 
Tabela 28. Resultados da Lixiviação para o granulado R 1035 
Tabela 29. Resultados da Lixiviação para o granulado R 1070 
Tabela 30. Resultados da Lixiviação para o granulado R 1535 
Tabela 31. Resultados da Lixiviação para o granulado R 1570 
Tabela 32. Resultados da Solubilização para o granulado P 35 
Tabela 33. Resultados da Solubilização para o granulado P 70 
Tabela 34. Resultados da Solubilização para o granulado R 1035 
Tabela 35. Resultados da Solubilização para o granulado R 1070 
Tabela 36. Resultados da Solubilização para o granulado R 1535 
Tabela 37. Resultados da Solubilização para o granulado R 1570 
V 
10 
SIMBOLOGIAS E ABREVIATURAS 
 
ABNT: Associação Brasileira de Normas Técnicas 
ºC: temperatura em graus Celsius 
ºK: temperatura em graus Kelvin 
C: elemento químico carbono 
CG: elemento químico carbono presente no granulado 
Fe: elemento químico ferro 
Fe γ: ferro gama ou austenita 
CaCO3: carbonato de cálcio 
BaCO3: carbonato de bário 
K2CO3: carbonato de potássio 
Na2CO3: carbonato de sódio 
CO2: dióxido de carbono 
CO: monóxido de carbono 
2NaCN: cianeto de sódio 
BaCl: cloreto de bário 
Na2CN2: cianamida de sódio 
BaCN2: cianamida de bário 
NaNCO: cianato de sódio 
NaCl: cloreto de sódio 
KCl: cloreto de potássio 
CH4: metano 
C3H8: propano 
C2H2: acetileno 
Pc: profundidade efetiva de cementação 
D: coeficiente de difusão a uma dada temperatura 
D0: constante de difusão 
Q: energia de ativação 
R: constante dos gases ideais 
T: temperatura 
t: tempo 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
VI 
11 
RESUMO 
 
O objetivo deste estudo é avaliar a influência do uso de carvão vegetal reciclado e a 
substituição do tóxico carbonato de bário por carbonato de cálcio, como agente de ativação 
química, responsável pela geração do monóxido de carbono (CO) durante a cementação sólida. 
Este novo processo é considerado ecologicamente correto não agredindo o meio-ambiente. Para 
duas temperaturas (870 ºC e 930 ºC) e aços (SAE 1020 / SAE 8620) são determinadas as 
condições de cementação, perfil de carbono e microestrutura. Os resultados são comparados as 
propriedades obtidas com granulados para cementação comercial. Após os tratamentos térmicos, 
os resíduos dos granulados empregados foram analisados, avaliando sua condição química 
considerando a lixiviação e solubilização dos mesmos. 
 
Palavras-chave: Cementação sólida, Ativador, Ecologia, Tratamento Térmico. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
VII 
12 
ABSTRACT 
 
The objective of this study was to evaluate the influence of the use of recycled active 
carbon material and calcium carbonate, in state of toxic barium carbonate, as the agent for 
chemical activation, responsible for the generation of Carbon Monoxide (CO) during the pack 
carburizing process. This new process are considered ecologically correct and environment 
friendly. For two different temperatures (870 ºC and 930 ºC) and steels (SAE 1020 / SAE 8620) 
was determined the carburizing condition, carbon profile and microstructure. The results are 
compared with de properties obtained with commercial granulate materials. After the heat 
treatments, the residue of the granulate materials was classified according to ABNT Norm, 
evaluating the chemical condition after lixiviation and solubilization. 
 
Key-words: Pack carburizing, Energizer, Ecology, Heat Treatment. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
VIII 
13 
INTRODUÇÃO 
 
A crescente preocupação mundial na conservação do meio ambiente e a necessidade do 
desenvolvimento de processos industriais ecologicamente corretos, vem sendo um dos campos 
de pesquisa mais importantes para as diferentes áreas da ciência e tecnologia. Este trabalho leva 
em consideração a grande importância tecnológica que representa o Processo de Cementação 
para a indústria metal-mecânica, sendo este um dos mais antigos e mais importantes processos de 
endurecimento superficial das ligas ferrosas, sendo imprescindível como meio de melhoria da 
qualidade, ganho de vida útil e desempenho de componentes mecânicos. O objetivo fundamental 
desta pesquisa, é o desenvolvimento de um granulado para cementação sólida, que utiliza 
material reciclado como parte da sua matéria-prima, reduzindo assim o seu custo fabricação, e a 
substituição do ativador tradicional a base de carbonato de bário (metal pesado), considerado 
tóxico, por carbonato de cálcio que não possui restrições com relação a questões ambientais. 
Foram elaboradas diferentes formulações de granulados, variando a concentração do 
carvão ativado reciclado e a concentração do carbonato de cálcio, obtendo assim uma gama 
considerável de diferentes granulados, que permitem rastrear de forma consistente o efeito destas 
variáveis sobre o potencial cementante dos novos materiais. 
A cementação é definida como sendo um processo termoquímico, no qual ocorre a 
difusão de carbono a partir da superfície do componente, sendo que após um resfriamento rápido 
(têmpera) em meio adequado, o material irá apresentar uma superfície endurecida e um núcleo 
tenaz. A cementação consiste portanto na formação de uma camada superficial de elevado teor 
de carbono, permanecendo inalterado o percentual de carbono do núcleo [W. D. Callister Jr., 2002]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1. Fotomontagem esquematizando a cementaçãosuperficial.[CALLISTER Jr., 2002] 
 
Neste trabalho foram utilizados como aços para cementação os materiais ABNT/SAE 
1020 e ABNT/SAE 8620, sendo estes os mais comuns encontrados na indústria em geral. 
A escolha destas ligas se deve ao fato de que ambas tem a capacidade de absorver carbono em 
alta velocidade nas temperaturas de 870ºC e 930ºC, apresentando uma camada de 
enriquecimento superficial de carbono uniforme, além de considerável tenacidade e resistência 
mecânica no núcleo após o tratamento térmico. 
Vários são os processos de cementação industrialmente em uso. O mais utilizado, porém 
em fase de substituição, é o processo de cementação líquida em banho de sais a base de cianeto 
de sódio e cianeto de bário, sendo considerado o mais agressivo ao meio ambiente. Novos 
processos empregando atmosferas controladas vêm ganhando o mercado, porém todos exigindo 
equipamentos extremamente dispendiosos. Esta pesquisa sugere a utilização de um novo 
processo sólido, ecologicamente correto, sem perdas de potencial de cementação. A figura 2 
apresenta a esquematização dos processos mais utilizados na indústria. 
14 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 - Pós (Cianeto) - Sal Cianeto - Forno Câmara - Processo Iônico 
 - Pasta (Cianeto) - Forno Rotativo - Sal Atóxico 
 - Granulado - Forno Contínuo - Granulado Atóxico 
 (BaCO3) - Forno à Vácuo (CaCO3) 
 - Leito Fluidizado 
 
Figura 2. Processos de Cementação Industrial. 
 
 
Atualmente a cementação líquida, em banho de cianeto, representa 65 % dos processos 
utilizados no mundo, sendo que no Brasil o emprego do Cianeto representa aproximadamente 
85 % dos processos comerciais. Dentre os maiores problemas relacionados ao meio-ambiente, 
destacamos a grande formação de resíduos sólidos, maior emissão de poluentes gasosos e a 
elevada toxicidade dos efluentes industriais. 
 
 
Para o desenvolvimento do projeto de pesquisa foram definidas as seguintes variáveis com 
relação aos materiais e processos: 
 
- Granulados: foram utilizadas seis (6) composições diferentes, variando os teores de 
carvão vegetal reciclado e o teor de carbonato de cálcio (CaCO3). 
- Aços para Cementação: foram empregadas duas ligas comerciais, o aço ao carbono 
ABNT/SAE 1020 e o aço baixa liga ABNT/SAE 8620. 
- Temperaturas de Cementação: foram definidas duas (2) temperaturas normalmente 
utilizadas na indústria, 870 ºC e 930 ºC. 
- Tempo de Cementação: foram definidos os seguintes tempos de processo - 2 horas, 
4 horas e 8 horas. 
- Condição de Resfriamento: foram utilizadas três (3) condições de resfriamento - ao ar, 
têmpera em água e têmpera em óleo. 
 
Após a realização dos processos de cementação, foram retiradas as cinzas e granulados 
remanescentes de cada formulação, sendo enviados para o Laboratório Químico especializado 
visando a Classificação dos Resíduos do Processo e a determinação de todos os elementos 
controlados pela Norma Regulamentadora ABNT NBR 10.004 – Resíduos Sólidos. 
 
 
 
 
 
 
INTRODUÇÃO 
15 
PARTE I – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 
 
1.1 – Histórico da Cementação e dos Tratamentos Térmicos 
 
O processo de tratamento térmico conhecido como Cementação é um dos mais antigos da 
humanidade. Artefatos de aço cementado e endurecidos foram encontrados na Europa Central e 
datam de 300 anos antes de Cristo [KLUBER, 1990, http://www.tf.uni-kiel.de, 2003]. Registros 
indicam que os Egípcios e Romanos no 3º século antes de Cristo já realizavam a cementação em 
diversos utensílios, principalmente armas e peças de veículos, objetivando elevar a dureza 
superficial e a resistência ao desgaste. O meio cementante era o carvão vegetal puro na forma de 
pequenos fragmentos que eram acondicionados junto com as “peças” em potes de argila. Tal 
montagem de carga era então aquecida em um forno tipo iglú ou fogueira, passando várias horas 
em elevada temperatura. As figuras 3 e 4 retratam atividades de cementação e tratamento térmico 
realizadas na antigüidade [http://www.tf.uni-kiel.de, 2003]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3. Cementação na antigüidade [http://www.tf.uni-kiel.de, 2003]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 4. Quadro egípcio sobre tratamento térmico [http://www.tf.uni-kiel.de, 2003]. 
16 
 Escavações nas ilhas gregas de Chipre, revelaram a existência de facas e punhais com 
tratamento de cementação e têmpera, provando que seu povo já conhecia estes processos a 
centenas de anos antes de Cristo. A técnica de temperar o aço em água fria é citada na obra de 
Homero, quando ele utilizou uma faca para perfurar o olho do Ciclope [http://www.kypros.org, 
2003]. Inúmeras citações sobre tratamentos térmicos também são encontradas em literaturas 
Árabes, principalmente descrevendo a tecnologia desenvolvida para a produção de espadas com 
o Aço de Damasco, que na realidade era uma combinação de conformação e tratamento térmico 
realizado num conjunto de várias lâminas finas, intercalando aços baixo carbono com aço de 
elevado teor de carbono [http://www.gabarin.com, 2003]. A figura 5 apresenta o aspecto das 
várias camadas intercaladas, típico do aço damasceno [http://www.kypros.org, 2003]. 
 
 
Figura 5. Espada de Aço Damasceno [http://www.kypros.org, 2003] 
 
 No mesmo período 500 à 300 A.C., os Indianos também desenvolveram tecnologia na 
fabricação de aços alto carbono, elaborando a conhecida liga Wootz, que na língua origina da 
região de Andhra Pradesh – Índia, era pronunciada como “ukku” e denotava o termo Aço 
[http://www.tf.uni-kiel.de, 2003]. A figura 6 apresenta em detalhes uma Espada Indiana 
elaborada em Aço Wootz, podendo ser observadas as várias camadas de lâminas de aço tratadas 
e conformadas a quente [http://www.aiusa.com, 2003]. 
 
 
Figura 6. Espada em Aço Indiano Wootz [http://www.aiusa.com] 
 
 
 Os povos Vikings e Celtas também dominavam a “arte” da fabricação de armas de 
multicamadas, sendo encontrados exemplos datados em torno de 100 anos A.C.. Estas armas 
eram formadas por lâminas soldadas através de operações seguidas de caldeamento, que em uso 
garantiam um constante gume afiado de corte [http://www.aiusa.com, 2003]. 
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 
17 
 Por muitos séculos a técnica de cementação permaneceu estagnada, isto é, sem 
importantes desenvolvimentos no que se refere ao agente cementante assim como na técnica do 
processo. No século XVII, foi introduzido o uso de carvão resultante da carbonização de ossos 
de animais, havendo inclusive relatos do uso de carvão de ossos humanos e farinha de sangue 
bovino. Até o início do século XIX também era comum o emprego da raspa de chifre como 
ativador, tratava-se de um tipo de pó ou grânulo que durante a cementação favorecia a geração 
do monóxido de carbono e nitrogênio livre, permitindo obter camadas de razoável espessura em 
tempos relativamente curtos. Com a revolução industrial nos séculos XVIII e XIX, a cementação 
passou a representar o principal tratamento térmico na fabricação de ferramentas, máquinas e 
equipamentos, além de componentes mecânicos para a indústria de bicicletas, automotiva e 
evidentemente para a área militar [GADDY, 1990]. 
 
 A Tabela 1 apresenta diferentes formulações de agentes utilizados para cementação 
sólida, desenvolvida ao longo dos séculos [GADDY, 1990; KRAUSE, 1960; CHIAVERINI, 
1988]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Tabela 1. Desenvolvimento das formulações dos agentesde cementação [GADDY, 1990; 
 KRAUSE, 1960; CHIAVERINI, 1988] 
 
 
Período 
 
 
Material / Formulação 
300 A. C. – 1.600 D. C. 1- Carvão vegetal 
2- Carvão vegetal + farinha de osso 
1600 – 1900 3- Carvão vegetal + farinha de osso + farinha de 
sangue 
4- Carvão vegetal + farinha de osso + farinha de 
sangue + raspa de chifre 
1900 – 1990 5- Carvão vegetal + Soda barrila (barrila leve) 
6- Carvão vegetal + Carbonato de bário 
7- Carvão de turfa + Carbonato de bário 
8- Carvão vegetal + Carbonato de bário + Carbonato 
de potássio 
9- Carvão vegetal + Carbonato de bário + 
Ferrocianeto de Potássio 
1990 – atualidade 10- Carvão vegetal + Carbonato de bário + Carbonato 
de cálcio 
11- Carvão vegetal + Carbonato potássio + Carbonato 
de cálcio 
12- Carvão vegetal + Carbonato cálcio + carvão 
vegetal reciclado 
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 
18 
1.2 – Os problemas ecológicos na atualidade 
 
Um dos aspectos mais importantes da atualidade é o desenvolvimento sustentado de 
processos industriais, que garantam a elevada produtividade exigida sem contudo afetar o meio 
ambiente. O processo de cementação de maior versatilidade técnica é sem dúvida a Cementação 
Líquida em Banho de Cianeto, sendo no entanto o de maior impacto ambiental. Suas matérias-
primas, resíduos de sais e subprodutos como a água de lavação dos componentes, arames e 
dispositivos de fixação apresentam extrema contaminação com Cianetos, Cianatos e Cianamidas 
resultando em agentes de severo impacto ambiental. Basicamente os banhos para cementação 
líquida são elaborados a partir de misturas de sais, contendo principalmente cianeto de sódio, 
cloreto de bário, cloretos de cálcio, estrôncio, potássio e sódio, além de carbonato de sódio e 
cianato de sódio. Como pode ser observada, a composição dos banhos é extremamente complexa 
e quimicamente agressiva, sendo reconhecido industrialmente como um produto venenoso. 
A Tabela 2 apresenta a composição de operação para banhos de cementação líquida 
[GODDING, 1991; CHIAVERINI, 1990]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Tabela 2. Composição de operação para banhos de sais de cementação 
 [GODDING, 1991; CHIAVERINI, 1988] 
 
 Dentre as várias reações que ocorrem no banho líquido, as mais críticas em termos de 
geração de resíduos tóxicos, são a formação de cianamidas e cianatos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Abaixo são apresentados os principais Resíduos Tóxicos, resultantes da Cementação Líquida: 
 
 Na2CN2 – Cianamida de sódio NaCN – Cianeto de sódio 
 BaCN2 – Cianamida de bário Ba(CN)2 – Cianeto de bário 
 NaNCO – Cianato de sódio 
 
Composição do Banho (%) 
 
Constituinte 
 
Camadas de pequena 
espessura, baixa 
temperatura, 840ºC 
 a 900ºC 
Camadas de grande 
espessura, alta 
temperatura, 900ºC 
 a 955ºC 
Cianeto de sódio 
Cloreto de bário 
Outros sais alcalinos de metais terrosos (a) 
Cloreto de potássio 
Cloreto de sódio 
Carbonato de sódio 
Aceleradores outros que compostos de 
metais alcalinos terrosos (b) 
Cianato de sódio 
10 a 23 
0 a 40 
0 a 10 
0 a 25 
20 a 40 
30 máx. 
0 a 5 
 
1,0 máx. 
6 a 16 
30 a 55 
0 a 10 
0 a 20 
0 a 20 
30 máx. 
0 a 2 
 
0,5 máx. 
(a) Cloreto de cálcio e cloreto de estrôncio. 
(b) Dióxido de manganês, óxido de boro, fluoreto de sódio e carboneto de silício. 
2NaCN ↔ Na2CN2 + C (Equação 1) 
2NaCN + O2 → 2NaNCO (Equação 2) 
NaCN + CO2 ↔ NaNCO + CO (Equação 3) 
NaNCO + C → NaCN + CO (Equação 4) 
4NaNCO + 2O2 → 2Na2CO3 + 2CO + 4N (Equação 5) 
2NaCN + BaCl → Ba(CN)2 + 2NaCl (Equação 6) 
Ba(CN)2 + 3Fe → Fe3C + BaCN2 (Equação 7) 
 
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 
19 
 As figuras 7a e 7b apresentam peças sendo retirada do banho de cementação, onde se 
observa o líquido a base de cianeto, cianato e cianamidas escorrendo pela superfície das mesmas. 
Parte considerável deste sal tóxico permanece aderido a superfície do material e dispositivos, 
sendo dissolvido posteriormente na água ou óleo de têmpera. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 (a) (b) 
 
Figuras 7 (a) e (b). Processo de cementação líquida. 
 
Conforme a norma ABNT NBR 10.004, que trata da classificação de resíduos sólidos, 
“todos os sais usados em tratamentos térmicos, incluindo sobras de respingos, borra, produtos 
de varredura do piso, além dos resíduos da evaporação da água de têmpera e lavação dos 
componentes tratados, são classificados como Resíduos Perigosos Classe 1” [ABNT, 1987; 
HEF, 1989]. O projeto de norma 1:63.04-001 estabelece as condições mínimas necessárias para 
o armazenamento temporário destes resíduos. A seguir apresentamos as principais exigências da 
norma com relação ao armazenamento provisório: 
 
- Os containers e/ou tambores devem ser armazenados, preferencialmente, em áreas 
cobertas, bem ventiladas e os recipientes colocados sobre base de concreto ou outro 
material que impeça a lixiviação e a percloração de substâncias para o solo e águas 
subterrâneas. A área deve ainda possuir um sistema de drenagem e captação de líquidos 
contaminados para que sejam posteriormente tratados. Os containers e tambores devem ser 
adequadamente rotulados de modo a possibilitar uma rápida identificação dos resíduos 
armazenados. 
 
- Os tambores devem ser de chapa metálica ou material plástico, com capacidade máxima de 
250 litros. Para facilitar o tratamento posterior recomenda-se que os sais e resíduos sejam 
guardados na forma de grânulos com dimensão máxima do punho. Os resíduos contendo 
cianetos e cloretos (tóxicos), devem ser armazenados separadamente daqueles contendo 
nitritos, nitratos e hidróxidos (oxidantes e corrosivos). 
 
- Os recipientes contendo os resíduos devem estar sempre fechados, exceto por ocasião da 
manipulação dos resíduos, seja adição ou remoção; um container e/ou tambor contendo 
resíduos perigosos não deve ser aberto, manuseado ou armazenado de modo a possibilitar o 
vazamento do produto ou ainda rompimento ou dano ao recipiente. 
 
- A instalação/empresa deve possuir um registro de sua operação, que deverá ser mantido até 
o fim de sua vida útil incluindo o período de encerramento das atividades. 
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 
20 
- Antes do descarte, isto é, envio para um aterro sanitário credenciado, deverá ser enviada 
uma amostra significativa do material armazenado a um Laboratório especializado, que 
deverá classificar o material segundo as normas ABNT NBR 10.004, NBR 10.005 e 
NBR 10.006, definindo seu enquadramento como material tóxico perigoso (Classe 1). 
 
Todos estes procedimentos agregam custo aos tratamentos térmicos, resultando em processos 
cada vez mais onerosos. Deve-se considerar ainda, os aspectos de risco da contaminação 
involuntária ao meio ambiente ou mesmo a existência de empresas/unidades sem o compromisso 
com a preservação ambiental. Desta forma, constantes esforços vêm sendo aplicados na área de 
desenvolvimento de processos de tratamentos térmicos, visando à obtenção de componentes 
tratados em condições ecologicamente corretas, garantindo assim um desenvolvimento 
sustentado, sem perdas para a indústria. 
 
1.3 – Novos processos de cementação 
 
1.3.1 – Cementação em banho neutro 
 
 Em função da simplicidade de execução da cementação líquida, intensos esforços vêm 
sendo aplicados nos últimos anos visando o desenvolvimento de um processo que utilize sais 
neutros fundidos, isentosde cianeto como agente ativador. Duas linhas de produtos foram 
apresentadas recentemente ao mercado; a primeira denominada PURE CASE®, emprega uma 
base de sal de cloretos (44% NaCl + 56% KCl) e grafite especial em pó como agente ativador. 
Esta mistura de cloreto-grafite não é tóxica e produz uma camada cementada isenta de 
nitrogênio. Componentes tratados neste banho podem ser diretamente resfriado em sais a base de 
nitrito e nitrato (martêmpera), sem os riscos de reação explosiva que são decorrentes da reação 
entre o cianeto/nitrito/nitrato. A Tabela 3 apresenta dados técnicos referentes ao banho 
Pure Case® elaborado pela empresa Heatbath Corporation [GODDING, 1991]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Tabela 3. Propriedades do banho Pure Case® [GODDING, 1991] 
 
 O novo processo desenvolvido pela Heatbath apresenta alguns inconvenientes técnicos 
como, a temperatura de trabalho e metodologia de início de operação do banho. Para ativar um 
banho Pure Case®, deve-se inicialmente fundir a mistura de sais de cloreto a uma temperatura 
mínima de 954 ºC, aguardando sua completa fusão e estabilização. A seguir, faz-se a adição 
gradual por imersão do aditivo de grafite, até que se forme uma camada superficial entre 15 a 
25 mm de espessura. Uma vez que se faz necessária a dissolução do grafite no banho, para 
obtenção do potencial de carbono, deve-se aguardar um tempo de 2 horas para o início do 
processo de tratamento térmico. Ao longo de todo o processo de cementação, sempre deverá 
haver uma camada de grafite sobre o banho, objetivando evitar a oxidação do mesmo 
[GODDING, 1991]. 
 
Propriedade 
 
 
Valor 
Ponto de fusão, ºC 
Temperatura de trabalho, ºC 
Calor específico, J/kg 
 Sólido 
 Líquido 
Calor de fusão, kJ/kg 
Densidade a 954ºC, g/cm3 
663 
954 – 982 
 
960 
1050 
414 
1,44 
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 
21 
 A figura 8 apresenta a curva de cementação obtida no processo PURE CASE®, 
relacionando a profundidade efetiva versus tempo de processo para uma temperatura de 955 ºC. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Tempo (h) 
 
Figura 8. Curva de cementação obtida no processo PURE CASE® [GODDING, 1991] 
 
 
 Um segundo produto também desenvolvido pela empresa Heatbath Corporation, 
denominado NO-CY®, também se propõe ao processo de cementação líquida sendo 
completamente isento de cianeto. Utiliza uma mistura de sais de cloreto e carbonato, além de 
partículas de grafite especial e um sistema de agitação mecânica. As reações químicas ainda não 
são bem conhecidas, porém sabe-se que há a formação de monóxido de carbono (CO) dissolvido, 
em função da reação entre as partículas de grafite, o carbonato e oxigênio (O2). A faixa de 
temperatura de operação está entre 900 ºC a 955 ºC, não sendo recomendadas temperatura 
inferiores a 870 ºC por favorecer a descarbonetação do aço. Segundo a literatura, o teor de 
carbono na superfície tende a ser um pouco menor ao obtido nos processos a base de cianeto, 
evitando a formação da austenita retida e não afetando a dureza final do componente tratado. 
Uma vez que no processo NO-CY® não há a difusão de nitrogênio (N), peças cementadas e 
resfriadas lentamente apresentam melhor usinabilidade favorecendo esta operação de fabricação. 
A figura 9 apresenta as curvas de enriquecimento em carbono para a cementação do aço 
ABNT 1020, em um banho de NO-CY®, a uma temperatura de 955 ºC [GODDING, 1991]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Distância a partir da superfície (mm) 
 
Figura 9. Curvas de cementação obtidas no processo NO-CY® [GODDING, 1991] 
 
Pr
of
un
di
da
de
 E
fe
tiv
a 
(m
m
) 
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75
1 hora
3 horas
4 horas
6 horas
Te
or
 d
e 
C
ar
bo
no
 (%
) 
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 1 2 3 4 5 6
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REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 
22 
1.3.2 – Cementação a Vácuo 
 
 As primeiras pesquisas sobre cementação a baixa pressão e a vácuo foram iniciadas nas 
décadas de 60, objetivando desenvolver um processo alternativo a cementação convencional com 
gás craqueado. As primeiras unidades utilizavam como agente de cementação gases de 
hidrocarbonetos como metano (CH4) e propano (C3H8), sendo utilizado como meio de têmpera o óleo. 
Inúmeras dificuldades surgiram com estes equipamentos, principalmente o controle do potencial de 
carbono e a uniformidade da camada cementada. Tais não conformidades representavam desvantagens 
técnicas importantes sobre o processo convencional, tornando a produtividade inviável. Na década 
de 80 novos desenvolvimentos ocorreram, utilizando-se gases como o propano, metano e 
acetileno (C2H2) e nitrogênio a alta pressão como meio de têmpera. O maior inconveniente era 
que ambos os processos, a cementação e a têmpera, ocorriam na mesma câmara, limitando a 
velocidade de resfriamento da carga e por conseqüência os tipos de aços tratados, assim como as 
dimensões das peças. Somente na década de 90, fabricantes europeus de fornos desenvolveram a 
cementação a baixa pressão, realizando as etapas de enriquecimento de carbono e a têmpera em 
nitrogênio ou hélio em sistemas separados [GUPTA, 2003; PELISSIER, 2003 e IPSEN, 1999]. 
 Dois são os processos disponíveis no mercado, o primeiro é denominado “gas pulsed 
vacuum carburizing” e o segundo é o “pressure pulsed vacuum carburizing”. No processo de gás 
pulsado, se emprega uma pressão constante de tratamento em torno de 15 mmHg, sendo 
utilizados de forma intercalada os gases nitrogênio e propano, realizando-se as etapas de 
cementação e difusão [PELISSIER,2003]. No processo de pressão pulsada a condição de 
operação na câmara varia entre 0,1 a 20 mmHg. O gás de cementação é injetado no forno até 
atingir uma pressão de 20 mmHg, e após um determinado tempo a câmara é evacuada até uma 
pressão de 0,1 mmHg. Profundidades optimais de cementação são alcançadas com este método, 
sendo extremamente eficiente nos processos com cargas muito densas, componentes com furos 
cegos e de geometria muito complicada. As figuras 10 e 11 mostram respectivamente fornos de 
cementação a vácuo de câmara simples e câmara dupla [GUPTA, 2003; IPSEN, 1999]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Figura 10. Forno de câmara simples 
 [IPSEN,1999] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Figura 11. Forno de câmara dupla 
 [GUPTA, 2003] 
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 
23 
 A figura 12 apresenta a esquematização de um sistema de cementação à vácuo com 
têmpera de alta pressão com gás nitrogênio. Equipamento de multicâmaras AFC – Holcroft . 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 12. Sistema de multicâmaras para cementação à vácuo [GUPTA, 2003] 
 
 Como pode ser observado, este processo é consideravelmente dispendioso, sendo que 
unidades de produção industrial atingem valores da ordem de US$ 1.000.000,00. Tais 
investimentos limitam a sua utilização nas empresas de pequeno e médio porte, sendo talvez a 
maior desvantagem deste processo frente aos demais encontrados no mercado. A figura 13 
mostra três (3) curvas em posições diferentes na peça, resultantes da cementação à vácuo, 
relacionando a microdureza Vickers (mHV) e a profundidade a partir da superfície. 
Os resultados são aplicadosa produção de Bicos Injetores de Motores Diesel, sendo o material o 
aço baixa liga DIN 18 Cr Ni 8, a temperatura é de 930 ºC e a têmpera realizada em nitrogênio a 
alta pressão [BEAUCHESNE,2003]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Profundidade de cementação (mm) 
 
Figura 13. Curvas de cementação a vácuo do aço DIN 18 Cr Ni 8 [BEAUCHESNE,2003] 
 
1.3.3 – Cementação a Plasma (Processo Iônico) 
 
 O processo de cementação a plasma, também denominado cementação iônica, foi 
inicialmente desenvolvido na França na década de 80, sendo considerado um processo 
alternativo ao da cementação em baixa pressão [PYE, 2001]. 
350
400
450
500
550
600
650
700
750
800
850
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1
Posição 1
Posição 2
Posição 3
M
ic
ro
du
re
za
 V
ic
ke
rs
 (
m
H
V
0,
5) 
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 
24 
 Desenvolvimentos importantes nas áreas de geradores de plasma pulsado, fornos 
totalmente computadorizados e sensores especiais para monitoramento da atmosfera, resultaram 
em uma nova geração de equipamentos para cementação iônica. O gás hidrocarboneto “Metano” 
(CH4) é o mais empregado como agente de cementação. Sua dissociação sob a ação do campo 
iônico, a uma pressão de 10 mmHg, resulta na liberação de carbono monoatômico que irá 
difundir na superfície do aço, promovendo o enriquecimento superficial. A reação de 
craqueamento do metano está exemplificada na equação 8. 
 
 CH4 → Cmonoatômico + 2H2 (Equação 8) 
 
 As figuras 14 e 15 apresentam respectivamente a esquematização da câmara de 
cementação a plasma e um forno de cementação marca NDK Incorporated, Modelo PMF-754 
[http://ndkinc.co.jp, 2003; http://thermi-lion.com, 2003]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 14. Esquematização da unidade de cementação a plasma [http://ndkinc.co.jp, 2003] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 15. Forno de cementação a plasma, marca NDK Incorporated, Modelo PMF-754 
 [http://ndkinc.co.jp, 2003] 
Entrada de gás [CH4 , C3H8 , H2, Ar] Gás manifold 
Forno a vácuo 
Sistema de aquecimento 
Refratário 
Placa aquecedora 
Base do forno 
Cátodo 
Bomba de vácuo 
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 
25 
1.3.4 – Cementação por indução 
 
 É um processo desenvolvido na década de 80, que emprega as vantagens do tratamento 
térmico por indução em alta freqüência e as características do tratamento termoquímico 
superficial em um único processo. Uma das principais vantagens do processo de cementação por 
indução, é que não há restrição quanto ao tamanho, forma, ou material do componente a ser 
cementado. O processo também pode ser aplicado de forma seletiva permitindo que apenas uma 
determinada região do componente seja endurecido. Para a cementação por indução, 
o componente é inicialmente imerso em um “líquido especial” contendo elevado teor de carbono 
e agentes ativadores a base de carbonatos. Camadas superficiais com elevado teor de carbono e 
profundidades variadas podem ser obtidas alterando o tipo de indutor, meio ativo e regime de 
processo. O processo pode ser facilmente automatizado, sendo econômico, apresentando boa 
reproducibilidade e ecologicamente correto por não gerar resíduos tóxicos [GUGEL, 1999]. 
A figura 16 apresenta vários termogramas de processos de cementação por indução, onde 
(a) 30 seg., (b) 60 seg., (c) 120 seg. e (d) 180 seg. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 16. Termogramas de processos de cementação por indução [GUGEL, 1999] 
 
 Taxas de aquecimento podem ser variadas desde 25 ºC/s até 1.200 ºC/s, sendo que a 
temperatura de cementação poderá estar entre 950 ºC até 1.150 ºC. Tais parâmetros irão 
controlar a microestrutura, espessura de camada, composição química e perfil de carbono na 
superfície tratada. Após a cementação por indução, a microestrutura da superfície poderá ser 
cementita pura, ledeburita, pura austenita retida estabilizada e/ou produtos de transformação 
austenítica (martensita, bainita e/ou perlita). O processo também pode ser aplicado na operação 
de restauração de carbono em superfícies descarbonetadas, permitindo a recuperação da estrutura 
de perlita junto à superfície dos componentes [GUGEL, 1999]. 
Te
m
pe
ra
tu
ra
 e
m
 F
ar
en
ai
t (
ºF
) 
Tempo (segundos) 
Tempo (segundos) 
Tempo (segundos) 
1150 
 
1040 
 
 930 
 
 815 
 
 705 
 
 595 
 
 
 
1150 
 
1040 
 
 930 
 
 815 
 
 705 
 
 595 
 
 
 
1150 
 
1040 
 
 930 
 
 815 
 
 705 
 
 595 
Te
m
pe
ra
tu
ra
 e
m
 C
el
ci
us
 (º
C
) 
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 
26 
1.3.5 – Cementação sólida ecologicamente correta 
 
 Como pode ser comprovada através das literaturas existentes e evidências industriais, a 
cementação sólida sempre representou para a humanidade um recurso técnico fundamental, 
permanecendo até a atualidade como um dos processos alternativos mais importantes para os 
tratamentos térmicos de componentes ferrosos. Entre as principais vantagens deste processo, 
estão a simplicidade na montagem da carga, a possibilidade de utilizar uma vasta gama de tipos 
de fornos, a possibilidade de resfriar lentamente a carga após a cementação possibilitando 
operações de usinagem com material apresentando baixa dureza, além de possibilitar o emprego 
de diferentes agentes de bloqueio de cementação, permitindo mais facilmente o tratamento 
termoquímico seletivo (enriquecimento localizado de carbono). Outra grande vantagem é a 
possibilidade do desenvolvimento de formulações ecologicamente corretas, sem contudo alterar 
os parâmetros de processo do tratamento térmico e possibilitando ainda a redução de custo final. 
 
 Pesquisa realizada junto aos fornecedores de insumos para tratamentos térmicos, 
confirma a preocupação no desenvolvimento de granulados neutros, sendo que a Empresa 
Heatbath Corporation oferece para o mercado seu novo produto denominado “Pack Carburizer 
BF 21” [www.heatbath.com, 2003] isento de carbonato de bário. A Empresa HEF-Durferrit 
oferece para o mercado seus granulados denominados KG 6 e KG 30, que emprega os 
carbonatos de potássio e cálcio como agentes ativadores [www.durferrit.de, 2003]. 
 
 Este trabalho vem somar as pesquisas já realizadas na Europa e Estadas Unidos, 
apresentando uma série de formulações de granulados que permitem realizar a cementação sólida 
mantendo praticamente as mesmas condições de potencial de carbono, dureza na camada e perfil 
de cementação, comparado aos insumos importados. Tais formulações estão balanceadas para 
garantir o mínimo de resíduos após sua queima, sendo que os elementos residuais mais 
significativos são a base de óxido de cálcio e carbono, considerados ecologicamente corretos. 
 
 A figura 17 apresenta a Curva de Cementação típica obtida num tratamento 
termoquímico de cementação sólida, empregando granulados convencionais a base de carvão 
vegetal e carbonato de bário [FOREMAN, 1991]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Tempo de Cementação (horas) 
 
Figura 17. Curva de cementação sólida convencional [FOREMAN, 1991]. 
 
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50P
ro
fu
nd
id
ad
e 
de
 C
em
en
ta
çã
o 
(m
m
) 
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 
27 
1.4 – Mecanismo de Cementação Sólida 
 
 O princípio fundamental do processo de cementação sólida, se baseia na formação através 
de reações termoquímicas do gás Monóxido de Carbono (CO) e sua reaçãocom a microestrutura 
austenítica (Fe γ), promovendo em elevada temperatura (850º a 1050ºC) a difusão do carbono a 
partir da superfície em direção ao núcleo do material. A figura 18 esquematiza a formação da 
atmosfera cementante, através das reações termoquímicas de dissociação do carbonato de cálcio 
(CaCO3) formando CO2 e a reação entre o carbono do granulado (CG) e o oxigênio, ambos 
promovendo a formação do gás “CO”. Portanto, é importante definir que o processo de 
cementação sólida é na realidade controlado por mecanismos de reação entre a superfície do 
material (Ferro γ) e o gás cementante formado (processo gasoso) [FOREMAN, 1991]. 
 
 
Figura 18. Reação de cementação [FOREMAN, 1991] 
 
 A figura 19 esquematiza as reações que ocorrem no interior da Caixa de Cementação, 
mostrando o estágio inicial de formação do gás CO2 , sua interação com o carbono do granulado 
(CG) gerando o monóxido de carbono (CO) e por fim a reação de interface que resulta na difusão 
do carbono monoatômico para o interior do material, ocorrendo a sua dissolução na austenita. 
[FOREMAN, 1991; CHIAVERINI, 1988] 
 
 
Figura 19. Reações no interior da caixa de cementação [FOREMAN, 1991; CHIAVERINI, 1988] 
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 
28 
1.4.1 – Difusão de carbono na austenita 
 
 O processo de cementação é controlado pela difusão do carbono através da superfície do 
material, sendo este muito influenciado pela temperatura, potencial de carbono do meio 
cementante e o tempo de processo. A cinética de cementação pode ser portanto expressa através 
das Equações de Fick que definem o cálculo do Coeficiente de Difusão (D) (equação 9) e a 
sua derivada de segunda ordem conhecida como Segunda Lei de Fick que mostra o perfil de 
concentração de carbono em função da distância, para um dado tempo de cementação 
(equação 10) [kttp://iwsmatl.tu-graz.ac.at]. 
 
 
 (Equação 9) 
 
 
 
 (Equação 10) 
 
 
 A solução analítica da 2ª Lei de Fick para um sólido finito, aplicado ao processo de 
cementação pode ser escrito conforme as equações 11 e 12. 
 
 
 (Equação 11) 
 
 ou, 
 
 (Equação 12) 
 
 
 
onde: Cx - é a concentração de carbono na posição “x”, C0 - teor de carbono no núcleo do 
material, CS - concentração de carbono junto a superfície, X - distância, D - coeficiente de 
difusão, t - tempo de processo e “erf” indica uma “função erro” da expressão que segue. 
 
 
A figura 20 esquematiza a difusão do carbono na austenita e o comportamento do perfil 
de concentração conforme a 2ª Lei de Fick e prevista pela equação 12 [ADDA, PHILIBERT, 1996]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 20. Difusão do carbono na austenita [ADDA, PHILIBERT, 1996] 
 
Composição inicial 
Composição após 
determinado tempo 
Distância 
C
om
po
si
çã
o 
Gás CO Ferro γ (austenita) Difusão do Carbono 
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 
29 
A figura 21 mostra o efeito da Temperatura sobre os valores do Coeficiente de Difusão (D) 
do carbono, para as microestruturas de Ferrita (ferro alfa) e Austenita (ferro gama) 
[www.ifu.ethz.ch, 2003]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 21. Efeito da temperatura sobre o coeficiente de difusão do carbono no ferro α e γ 
 [www.ifu.ethz.ch, 2003] 
 
 
 A tabela 4 apresenta em detalhes os valores calculados para o Coeficiente de Difusão do 
carbono no ferro gama (austenita), utilizando a equação 9. Foram considerados como valores de 
referência a energia de ativação Q = 141,5 kJ/mol, R = 8,314 J/(mol*K) e D0 = 0,21 cm2/s. 
 
 
 
 (Equação 9) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Tabela 4. Valores do coeficiente de difusão do carbono na austenita 
 
Temperatura 
º C (ºK) 
 
 
Coeficiente de Difusão - D 
(cm2/s) 
870 (1.143) 0,72 x 10-7 
880 (1.153) 0,82 x 10-7 
890 (1.163) 0,93 x 10-7 
900 (1.173) 1,05 x 10-7 
910 (1.183) 1,19 x 10-7 
920 (1.193) 1,34 x 10-7 
930 (1.203) 1,51 x 10-7 
940 (1.213) 1,69 x 10-7 
950 (1.223) 1,90 x 10-7 
(cm2/s) 
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 
30 
1.4.2 – Cálculo da cinética de cementação 
 
 Para o cálculo do tempo de cementação utiliza-se o seguinte desenvolvimento 
axiomático, observando as corretas unidades de medida. Empregando a solução da 2ª Lei de Fick 
(equação 11), obtemos a seguinte expressão já mencionada (equação 12). 
 
 (Equação 12) 
 
 
aplicando a inversão da função erro na equação 12 temos, 
 
 
 (Equação 13) 
 
 
portanto, 
 
 (Equação 14) 
 
 
Para o cálculo da função erro, pode-se utilizar também a equação 15 cujos valores estão 
apresentados na tabela 5 [MEL, COSTA e SILVA, 1988]. 
 
 
 (Equação 15) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Tabela 5. Valores da função erro [MEL, COSTA e SILVA, 1988] 
z = 
z erf (z) z erf (z) z erf (z) z erf (z) 
0,00 0,00000 0,26 0,2869 0,52 0,5379 0,78 0,7300 
0,01 0,01128 0,27 0,2934 0,53 0,5465 0,79 0,7361 
0,02 0,02256 0,28 0,3079 0,54 0,5549 0,80 0,7421 
0,03 0,03384 0,29 0,3183 0,55 0,5633 0,81 0,7480 
0,04 0,04511 0,30 0,3286 0,56 0,5716 0,82 0,7538 
0,05 0,05637 0,31 0,3389 0,57 0,5798 0,83 0,7595 
0,06 0,06762 0,32 0,3491 0,58 0,5879 0,84 0,7651 
0,07 0,07886 0,33 0,3593 0,59 0,5959 0,85 0,7707 
0,08 0,09008 0,34 0,3694 0,60 0,6039 0,86 0,7761 
0,09 0,1013 0,35 0,3794 0,61 0,6117 0,87 0,7814 
0,10 0,1125 0,36 0,3893 0,62 0,6194 0,88 0,7867 
0,11 0,1236 0,37 0,3992 0,63 0,6270 0,89 0,7918 
0,12 0,1348 0,38 0,4090 0,64 0,6346 0,90 0,7969 
0,13 0,1459 0,39 0,4187 0,65 0,6420 0,91 0,8019 
0,14 0,1569 0,40 0,4284 0,66 0,6494 0,92 0,8068 
0,15 0,1680 0,41 0,4380 0,67 0,6566 0,93 0,8116 
0,16 0,1790 0,42 0,4475 0,68 0,6638 0,94 0,8163 
0,17 0,1900 0,43 0,4569 0,69 0,6708 0,95 0,8209 
0,18 0,2009 0,44 0,4662 0,70 0,6778 0,96 0,8254 
0,19 0,2118 0,45 0,4755 0,71 0,6847 0,97 0,8299 
0,20 0,2227 0,46 0,4847 0,72 0,6914 0,98 0,8342 
0,21 0,2335 0,47 0,4937 0,73 0,6981 0,99 0,8385 
0,22 0,2443 0,48 0,5027 0,74 0,7047 1,00 0,8427 
0,23 0,2550 0,49 0,5117 0,75 0,7112 1,10 0,8802 
0,24 0,2657 0,50 0,5205 0,76 0,7175 1,20 0,9103 
0,25 0,2763 0,51 0,5292 0,77 0,7238 1,50 0,9661 
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 
31 
 Para o cálculo do tempo efetivo de cementação considerando uma determinada 
profundidade “x” a partir da superfície, emprega-se a equação 16 [kttp://iwsmatl.tu-graz.ac.at]. 
 
 
 (Equação 16) 
 
 
 Aplicando as equações 14 e 16, calcula-se o tempo (t) necessário para atingir por exemplo 
0,80 % Carbono a uma profundidade de 0,50 mm, considerando os valores do coeficiente de 
difusão D = 1,51*10-5, Cx = 0,80 %C, C0 = 0,20 e CS = 1,1 %C, isto a uma temperatura de 930 ºC. 
 
 
 
 = erfinv 1 – 0,80 – 0,20 = erfinv (0,333) = 0,30461,10 – 0,10 
 
 
 0,52 
 
 4 * 0,30462 * 1,51*10-5 
 
 
 A figura 22 apresenta o perfil do teor de carbono que define a cinética de cementação a 
930 ºC, sendo que para garantir 0,80 %C a uma profundidade de 0,50 mm são necessárias 
12,3 horas de tratamento térmico [kttp://iwsmatl.tu-graz.ac.at]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 22. Perfil de cementação sólida a 930 ºC [kttp://iwsmatl.tu-graz.ac.at] 
 
z = 
= = = 44.639 segundos 12,3 horas
Profundidade (mm) 
Te
or
 d
e 
C
ar
bo
no
 (%
C
) 
 
= 12,3 horas 
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 
32 
OBJETIVOS 
 
 Os objetivos deste trabalho são: 
 
• Desenvolver diferentes formulações de granulados empregando como matéria-prima carvão 
vegetal ativado, carvão vegetal ativado reciclado e carbonato de cálcio como agente ativador. 
 
• Verificar experimentalmente o comportamento a cementação dos diferentes granulados, 
através do controle microestrutural e alteração das propriedades químicas e mecânicas do 
material tratado. 
 
• Estudar o efeito do enriquecimento em carbono nos aços, através da determinação 
quantitativa do seu teor em diferentes profundidades. 
 
• Propor a substituição do carbonato de bário como agente ativador da cementação sólida por 
uma combinação de carvão vegetal ativado, carvão vegetal reciclado e carbonato de cálcio, 
considerados ecologicamente corretos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
33 
PARTE II – MATERIAIS E MÉTODOS EXPERIMENTAIS 
 
2.1 – Materiais utilizados 
 
 A pesquisa desenvolvida utilizou como materiais seis (6) formulações de granulados com 
variações nos teores de carvão vegetal ativado, carvão vegetal reciclado e carbonato de cálcio, 
e duas classes de aços destinadas a cementação. 
 
2.1.1 – Granulados de Cementação 
 
 As matérias-primas para formulação dos Granulados são adquiridas de indústrias químicas 
tradicionais, sendo todas de qualidade comercial. 
 
 O pó de Carvão Vegetal é da classe Carvão Ativado a vapor, utilizado em aplicações gerais 
de adsorção de líquidos ou gases, apresentando grande área superficial e cuja estrutura é uma 
rede de micro, médio e macroporos. A superfície específica do pó de carvão ativado utilizado 
apresenta em torno 700 m2/g, confirmando sua elevada área de reação, favorecendo com isto as 
interações do carbono do granulado com o oxigênio (O2) e o dióxido de carbono (CO2), a favor 
do gás monóxido de carbono (CO). A tabela 6 mostra os dados técnicos especificados para o 
carvão vegetal ativado empregado na fabricação dos granulados [Brasilac Indústrias Químicas 
Ltda., 2002]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Tabela 6. Dados técnicos do carvão vegetal ativado [Brasilac, 2002] 
 
 
 O pó de Carvão Vegetal Reciclado é adquirido da empresa Indústrias Químicas 
Carbomafra S. A., sendo um subproduto da indústria de refrigerantes. O carvão vegetal ativado 
original foi utilizado para clarificação de xaropes e no tratamento e purificação de essências. 
Este material não apresenta qualquer toxicidade, sendo rejeitado pela indústria em função da 
saturação de seus poros e a conseqüente perda da capacidade de adsorção de líquidos (efeito de 
encharque). Está disponível na forma de um aglomerado úmido, inodoro, com aproximadamente 
35 % em peso de água. A etapa mais importante na preparação do carvão reciclado para o uso 
na elaboração dos granulados, é sua secagem, devendo o mesmo ser aquecido em torno de 80 ºC 
por um tempo mínimo de 12 horas, visando a redução da umidade residual em torno 8 % em 
peso. A pesar da realização da etapa de secagem, o material reciclado permanece com a maior 
parte de sua nano e microporosidade obstruída, reduzindo com isto a sua superfície específica e 
por conseqüência a capacidade de geração de monóxido de carbono. Desta forma é esperado que 
o emprego de teores elevados de carvão reciclado resulte na redução do potencial de carbono do 
granulado e sua capacidade cementação. 
 
Propriedade 
 
 
Valor 
Número de Iodo mín. 800 mg/g 
pH 5 – 7 
Granulometria 
(retido na malha # 325 mesh) 
45 – 55 % 
Umidade ao embalar máx. 8 % 
Densidade aparente 0,35 ± 0,05 g/cm3 
Cinzas máx. 8 % 
Teor de Ferro máx. 103 ppm 
34 
 
 O carbonato de cálcio (CaCO3), é um produto originado da precipitação do calcário 
natural, apresentando elevado grau de pureza. É um pó branco, inodoro e não tóxico, que tem 
como característica ser insolúvel em água. Esta é uma propriedade importante na produção dos 
granulados uma vez que permite sua dispersão física totalmente no estado sólido. Por ser 
insolúvel, não apresenta higroscopia, o que favorece seu armazenamento e manipulação. 
O carbonato de cálcio utilizado na pesquisa, é fornecido pela empresa Química Industrial 
Barra do Piraí S.A., sendo o produto comercializado com a denominação Barra Leve. 
A tabela 7 apresenta as propriedades físico-químicas do carbonato de cálcio (CaCO3) utilizado 
[www.bandeirantequimica.com.br, 2003]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Tabela 7. Propriedades físico-químicas do carbonato de cálcio extra leve 
[www.bandeirantequimica.com.br, 2003] 
 
 Os demais agentes facilitadores de processo, mantidos constantes nas diferentes 
formulações foram considerados sigilo industrial, não sendo revelados seu nome comercial e 
suas características físico-químicas. 
 
2.1.2 – Aços para cementação 
 
 Os aços utilizados para a pesquisa foram definidos em função da sua grande aplicação 
industrial na área de componentes tratados termicamente, principalmente a cementação, têmpera 
e revenimento. Foram escolhidos o aço ao carbono classe SAE/ABNT 1020 e o aço baixa liga 
classe SAE/ABNT 8620 (aço cromo-níquel-molibdênio). Os corpos de prova foram elaborados a 
partir de barras originais retificadas, com diâmetro externo de 25 mm e comprimento de 40 mm. 
 
Para que um aço seja considerado Aço de Cementação, o mesmo deverá atender a uma 
série de requisitos, que foram considerados durante a seleção dos materiais para a pesquisa: 
 
• Ser capaz de absorver carbono no intervalo de temperatura entre 850º a 1050ºC 
 
• Permitir velocidade de cementação entre 0,10 a 0,50 mm/h 
 
• Formar camada uniforme rica em carbono (≈ 0,80 %C) 
 
• Apresentar razoável tenacidade e resistência mecânica após o tratamento térmico 
 
• Apresentar mínima distorção após o tratamento térmico 
 
• Ser de boa usinabilidade no estado bruto de fornecimento 
MATERIAIS E MÉTODOS EXPERIMENTAIS 
 
Propriedade 
 
 
Valor 
Pureza (CaCO3) mín. 98,0 % 
Carbonato de magnésio máx. 1,0 % 
Teor de Ferro máx. 200 ppm 
Densidade 0,36 – 0,47 g/cm3 
pH em suspensão aquosa 10% 8,5 – 9,5 
Partículas Microcristais romboédricos 
Dureza 3 Mohs 
 
35 
 
2.2 – Composição dos granulados 
 
 Para o desenvolvimento da pesquisa, foram recebidas da Empresa Graix Materiais 
Avançados Ltda., seis (6) formulações distintas de Granulados variando apenas os teores de 
Carvão Vegetal Novo, Carvão Vegetal Reciclado e o Carbonato de Cálcio. Os demais agentes de 
processo como lubrificante, plastificante, ligante carbonáceo e água permaneceram inalterados. 
A tabela 8 apresenta as formulações dos Granulados, sendo que os valores representam a 
quantidade em quilogramas (kg) para cada componente. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Tabela 8. Formulações dos Granulados 
 
2.3 – Elaboração dos granulados 
 
 A figura 23 na página a seguir, apresenta o Fluxograma do Processoempregado na 
elaboração dos granulados de cementação. A seguir, descreve-se as etapas principais da 
elaboração dos diferentes tipos de granulados estudas. 
 
2.3.1 – Mistura dos pós 
 
 Para a homogeneização dos pós previamente pesados, é utilizado um Misturador com Pá 
em “S”, que permite a completa dispersão dos materiais sólidos. Após 10 minutos de mistura 
mecânica, é adicionada seqüencialmente a água controlando sua quantidade até atingir a 
consistência de uma massa plástica (similar a uma massa cerâmica). A seguir, o material é 
transferido para a extrusora iniciando a próxima etapa de fabricação. 
 
2.3.2 – Extrusão da massa plástica 
 
 Para a extrusão da massa previamente homogeneizada e plastificada, utiliza-se uma 
extrusora de rosca simples, diâmetro de rosca 60 mm, sendo que a fieira produz 5 “espaguetes” 
simultaneamente. A extrusora é alimentada continuamente por um sistema de pistão pneumático 
permitindo a continuidade do processo. 
 
2.3.3 – Secagem dos grânulos 
 
 Após o corte dos grânulos, os mesmos são colocados em bandejas de inox e levados ao 
forno de secagem, para eliminação do excesso da água. 
 
2.3.4 – Pirolização dos grânulos 
 
 Após a secagem dos grânulos os mesmos são tratados termicamente pelo processo de 
pirolização, quando adquirem a dureza e resistência necessária ao uso industrial. 
 
Composição 
 
 
P 35 
(kg) 
[%] 
 
P 70 
(kg) 
[%] 
 
R 1035 
(kg) 
[%] 
 
R 1070 
(kg) 
[%] 
 
R 1535 
(kg) 
[%] 
 
R 1570 
(kg) 
[%] 
 
Carvão Ativado 35 [55,11] 35 [52,24] 25 [39,37] 25 [37,31] 20 [31,50] 20 [29,85]
Carvão Reciclado - - - - - - 10 [15,75] 10 [14,93] 15 [23,62] 15 [22,39]
Ligante 17 [26,77] 17 [25,37] 17 [26,77] 17 [25,37] 17 [26,77] 17 [25,37]
Lubrificante 4,0 [6,30] 4,0 [5,97] 4,0 [6,30] 4,0 [5,97] 4,0 [6,30 4,0 [5,97] 
Plastificante 4,0 [6,30] 4,0 [5,97] 4,0 [6,30] 4,0 [5,97] 4,0 [6,30] 4,0 [5,97] 
Carbonato de Cálcio 3,5 [5,52] 7,0 [10,45] 3,5 [5,52] 7,0 [10,45] 3,5 [5,52] 7,0 [10,45]
MATERIAIS E MÉTODOS EXPERIMENTAIS 
36 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 C
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L
ub
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fic
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 Á g
ua
 Materiais 
(Matérias-primas) 
- Pesagem dos materiais (Balança 25 kg) 
(Erro de pesagem ± 1% peso) 
 
 
 
 
- Misturador de Pá em “S” 
(Adição seqüencial dos pós, com 
 homogeneização úmida – 
 formação da massa plástica) 
 
 
 
 
- Extrusora de rosca simples 
(Extrusão dos “espaguetes”, com 
 posterior corte axial) 
 
 
- Forno de secagem a gás 
(Retirada do excesso de umidade) 
 
 
 
 
- Forno a gás para pirolização 
(Pirolização termoquímica do 
 ligante carbonáceo) 
 
 
 
 
 
- Caracterização dos Granulados 
(Controle de densidade aparente e 
 granulometria) 
Figura 23. Fluxograma de Processo 
 
MATERIAIS E MÉTODOS EXPERIMENTAIS 
37 
 
2.4 – Caracterização Física dos Granulados 
 
 Para a caracterização dos granulados, foram definidos como parâmetros importantes o 
controle da densidade aparente, o tamanho dos grânulos e a sua microestrutura. A seguir, são 
apresentados os resultados dos controles realizados. 
 
2.4.1 – Densidade aparente 
 
 Um dos parâmetros mais importantes dos granulados é sua densidade aparente, uma vez 
que através deste parâmetro será definido o peso e volume de granulado utilizado durante o 
processo de cementação. O valor da Densidade Aparente para o granulado novo produzido 
comercialmente está em torno de 0,50 g/cm3, sendo considerado como referência para esta 
pesquisa [GRAIX, 1996]. Para a determinação da densidade aparente foi empregado o método 
gravimétrico, realizando-se a pesagem do granulado necessária para o preenchimento de um 
volume padrão conhecido (100 cm3). A razão entre o peso de granulado e o volume padrão 
resulta no valor da densidade aparente para as várias formulações elaboradas. A tabela 9 mostra 
os valores de densidade aparente para os diversos tipos de granulados estudados. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Tabela 9. Densidade aparente dos granulados estudados 
 
2.4.2 – Tamanho dos grânulos 
[ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Para o controle do tamanho dos grânulos individuais foi considerada a medida axial 
máxima dos mesmos, sendo para isto utilizado um paquímetro digital (Certificado de Calibração 
N.º 2822/3). Segundo o catálogo da empresa Graix Materiais Avançados Ltda., o tamanho médio 
do produto comercial está em torno de 10 mm de comprimento [GRAIX, 1996]. A tabela 10 
apresenta os resultados do controle do tamanho dos grânulos para cada formulação pesquisada, 
realizando 100 (cem) medições para cada formulação. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Tabela 10. Controle do tamanho dos grânulos 
MATERIAIS E MÉTODOS EXPERIMENTAIS 
 
Granulado 
 
 
P 35 
 
P 70 
 
 
R 1035 
 
 
R 1070 
 
 
R 1535 
 
 
R 1570 
 
Densidade aparente 
(g/cm3) 
 
 
0,48 
 
 
0,46 
 
 
0,49 
 
0,47 
 
 
 
0,51 
 
 
0,49 
 
 
 
Granulado 
 
 
P 35 
 
P 70 
 
 
R 1035 
 
 
R 1070 
 
 
R 1535 
 
 
R 1570 
Menor grânulo
 
6,98 
 
 
7,15 
 
7,18 
 
7,27 
 
 
7,72 
 
7,28 
Maior grânulo
 
15,05 
 
 
15,82 
 
 
15,67 
 
 
15,08 
 
 
16,05 
 
 
18,64 
 
Ta
m
an
ho
 d
o 
G
râ
nu
lo
 
(m
m
) 
Tamanho 
médio 
 
10,95 
 
 
11,08 
 
 
11,16 
 
 
10,97 
 
 
11,93 
 
 
11,88 
 
38 
 Como pode ser observado o tamanho dos grânulos é similar entre as diferentes 
formulações, não sendo considerada uma variável crítica para o processo de cementação. 
A figura 24 apresenta o aspecto do granulado utilizado para cementação, elaborado pela GRAIX 
Materiais Avançados Ltda. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 24. Granulado para cementação – Classe P 70 [GRAIX, 2002] 
 
2.5 – Caracterização dos Corpos de Prova de Aço 
 
 Para a caracterização dos aços utilizados, foram realizadas análises químicas do núcleo 
dos materiais, controle da microestrutura da superfície e núcleo no sentido longitudinal das 
barras originais e determinação da dureza Brinell (HBW). A figura 25 esquematiza os locais das 
análises para controle dos aços, indicando as regiões de controle químico e metalográfico. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Análise Química Análise Metalográfica/Dureza HB 
 
 
Figura 25. Esquematização das regiões de controle dos aços 
 
2.5.1 – Análise química dos aços 
 
Para a determinação da composição química foi utilizado um equipamento tipo 
espectrômetro de emissão ótica, marca Spectrolab, sendo que o método de análise é por “spark” 
com arraste de gás argônio. A superfície de análise corresponde à seção transversal do corpo de 
prova, sendo que para eliminar riscos de contaminação na preparação das amostras, foi realizada 
uma operação de retífica na região de inspeção. A tabela 11 apresenta os resultados médios das 
análises químicas realizadas nas matérias-primas de aço. 
50
 m
m
 
25 mm 
C
or
po
 d
e 
Pr
ov
a Análise química 
no centro 
Análise da 
Superfície 
 
 
 
 
Análise do 
centro 
MATERIAIS E MÉTODOS EXPERIMENTAIS 
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