Aula Teórica 7 Tratamentos Termoquímicos 1º 2013

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Tratamentos Termoquímicos
Prof. Dr. Dalmarino Setti
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Tratamentos Termoquímicos
� Endurecimento superficial dos aços através da 
modificação parcial da sua composição química.
� Maior resistência ao desgaste superficial 
mantendo as características de tenacidade e 
ductilidade do núcleo. 
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Tratamentos Termoquímicos
� Cementação (Carbonetação).
� Nitretação.
� Carbonitretação.
� Nitrocarbonetação.
� Boretação.
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Tratamento de Cementação
� Introdução de carbono na superfície do aço 
de 0,8 a 1,0 %, para posterior tratamento de 
têmpera.
� Fenômeno de difusão atômica. Movimentação 
de átomos no estado sólido.
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Tratamento de Cementação
1 - Uso de aços de baixo teor de carbono
2 - Temperatura de aquecimento entre 
900 ºC e 950 ºC
3 - Aços com granulação fina, que 
apresentam uma melhor tenacidade
4 - Tratamento térmico prévio de 
Normalização para permitir a usinagem
5 - Buscar uma distribuição de carbono 
de forma gradual.
CARCTERÍSTICAS
DO
PROCESSO
CARCTERÍSTICAS
DO
PROCESSO
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Tratamento de Cementação
Fatores que influenciam na velocidade de 
transferência do carbono para o material:
a ) Teor de carbono inicial;
b ) Coeficiente de difusão do carbono;
c ) Temperatura;
d ) Concentração de carbono na Austenita;
e ) Tipo de agente carbonetante utilizado
f ) Velocidade do fluxo de gás ( quando o agente 
carbonetante é um gás ).
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Teor de Carbono Inicial
�Aços com baixo teor de carbono são os mais 
adequados para a cementação devido a maior 
velocidade de difusão do carbono nestes aços, pois o 
gradiente entre o meio cementante (1,1 a 1,3%C) é
maior.
�Os aços de baixo carbono apresentam melhor 
tenacidade, o que permite obter o melhor desempenho 
em termos de resistência ao desgaste (pós 
cementação) e resistência a choques.
�Aços carbono e aços ligados são utilizados na 
cementação.
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Aços para Cementação – Aços Carbono
Aço C(%) Mn(%) Ni(%) Cr(%) Mo(%) Outros
1010 0,08-0,13 0,30-0,60 - - - a, b
1018 0,15-0,20 0,60-0,90 - - - a, b
1019 0,15-0,20 0,70-1,00 - - - a, b
1020 0,18-0,23 0,30-0,60 - - - a, b
1021 0,18-0,23 0,60-0,90 - - - a, b
1022 0,18-0,23 0,70-1,00 - - - a, b
1524 0,19-0,25 1,35-1,65 - - - a, b
1527 0,22-0,29 1,20-1,50 - - - a, b
(a) 0,04 P máx. 0,05 S máx. (b) 0,15-0,35 Si
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Aços para Cementação – Aços Ligados
Aço C(%) Mn(%) Ni(%) Cr(%) Mo(%) Outros
3310 0,08-0,13 0,45-0,60 3,25-3,75 1,40-1,75 - b,c
4023 0,20-0,25 0,70-0,90 - - 0,20-0,30 b,c
4027 0,25-0,30 0,70-0,90 - - 0,20-0,30 b,c
4118 0,18-0,23 0,70-0,90 - 0,40-0,60 0,08-0,15 b,c
4320 0,17-0,22 0,45-0,65 1,65-2,00 0,40-0,60 0,20-0,30 b,c
4620 0,17-0,22 0,45-0,65 1,65-2,00 - 0,20-0,30 b,c
4815 0,13-0,18 0,40-0,60 3,25-3,75 - 0,20-0,30 b,c
4820 0,18-0,23 0,50-0,70 3,25-3,75 - 0,20-0,30 b,c
(b) 0,15-0,35 Si e (c) 0,035 P máx. 0,04 S máx.
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Aços para Cementação – Aços Ligados
Aço C(%) Mn(%) Ni(%) Cr(%) Mo(%) Outros
5120 0,17-0,22 0,70-0,90 - 0,70-0,90 - b,c
5130 0,28-0,33 0,70-0,90 - 0,80-1,10 - b,c
8617 0,15-0,20 0,70-0,90 0,40-0,70 0,40-0,60 0,15-0,25 b,c
8620 0,18-0,23 0,70-0,90 0,40-0,70 0,40-0,60 0,15-0,25 b,c
8720 0,18-0,23 0,70-0,90 0,40-0,70 0,40-0,60 0,20-0,30 b,c
8822 0,20-0,25 0,75-1,00 0,40-0,70 0,40-0,60 0,30-0,40 b,c
9310 0,08-0,13 0,45-0,65 3,00-3,50 1,00-1,40 0,08-0,15 b,c
(b) 0,15-0,35 Si e (c) 0,035 P máx. 0,04 S máx.
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Diferença no Perfil da Camada – Tipo Aço
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Coeficiente de Difusão Carbono
�O coeficiente de difusão do carbono na austenita determina 
o tempo necessário para a obtenção de uma determinada 
profundidade de camada (p).
p = (D.t)0,5
Onde:
p, é a profundidade da camada cementada em (m).
t, o tempo em segundos. 
D, o coeficiente de difusão do C em (m2.s-1), com:
D= D0 .exp(-Ea/RT)
D0= Carbono no Fe (CFC) = 2,3 x 10-5 m2.s-1
Ea= Carbono no Fe (CFC) = 148 kJ/mol
R = é a constante dos gases = 8,314 J.mol-1.K-1
T= a temperatura absoluta (K).
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Efeito da Temperatura Sobre o Tempo 
de Cementação
Aço 8620 com 1,5 mm de camada.
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Efeito do Tempo de Cementação 
Sobre a Camada
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Tratamento de Cementação
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Tratamento de Cementação
Aço 1018 cementado em caixa a 940 ºC. (a) 1 h, (b) 2 h e (c) 4 horas.
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Processos de Cementação
Métodos
de
Cementação
Métodos
de
Cementação
GasosaGasosa
SólidaSólida
LíquidaLíquida
VácuoVácuo
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Cementação Sólida ou em Caixa
Caixa de aço liga resistente ao calor
Mistura carbonizante constituída de:
Carvão de madeira aglomerado com
ativador ( 5 a 20 % )e óleo de linhaça
( 5 a 10 % )
PEÇA
ATIVADORES:
Carbonato de sódio;
Carbonato de potássio;
Carbonato de cálcio;
Carbonato de bário
ATIVADORES:
Carbonato de sódio;
Carbonato de potássio;
Carbonato de cálcio;
Carbonato de bário
O carbonato de bário é o ativador mais comum, sendo
usado em mistura com o carbonato de sódio.
Pode - se colocar aproximadamente 20 % de coque
para aumentara velocidade da transferência de calor.
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Reações da Cementação Sólida
Em temperaturas elevadas o C combina-se com o 
oxigênio presente na caixa formando CO2:
C + O2→ CO2
O CO2 reage o carbono:
CO2 + C → 2 CO
O CO gerado decompõe-se em carbono atômico que 
difunde-se no metal:
2 CO → 2C (Fe) + O2
A formação de CO é favorecida pela presença dos 
carbonatos. (BaCO3 principal catalisador processo).
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Cementação Sólida ou em Caixa
Máxima profundidade de Cementação: 2,0 mm
• Profundidade menores que 0,25 mm são críticas de se obter devido a 
dificuldade de controle do processo.
Principais Vantagens
1 - Processo pode ser feito em diversos tipos de fornos pois não 
precisa de atmosfera controlada;
2 - Processo eficiente e econômico, permitindo tanto o processamentode pequenos lotes como peças de grandes dimensões;
3 - Não exige grande experiência do operador;
4 - Pouco risco de empenamento pois o resfriamento é lento;
Principais Limitações
1 - Não é um processo limpo;
2 - Não é possível a obtenção de camadas finas;
3 - Não permite um controle adequado do gradiente de carbono;
4 - Necessita de mais tempo para o aquecimento e resfriamento. 
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Cementação Líquida
A fonte de carbono neste caso é um banho de sal fundido, onde o 
material deve ser mantido a uma temperatura acima da linha Ac1.
 
Composição do banho % 
Constituintes Camada de pequena espessura 
Baixa temperatura 
( 840 a 900 ºC ) 
Camada de grande 
espessura 
Alta temperatura 
( 900 a 955 ºC ) 
Cianeto de sódio 10 a 23 6 a 16 
Cloreto de bário 0 a 40 30 a 55 
Outros sais alcalinos 0 a 10 0 a 10 
Cloreto de potássio 0 a 25 0 a 20 
Cloreto de sódio 20 a 40 0 a 20 
Carbonato de sódio 30 máx. 30 máx. 
Aceleradores outros que compostos 
de matais alcalinos ferrosos ( *) 
0 a 5 0 a 2 
Cianato de sódio 1,0 máx. 0,5 máx. 
(*) Ex.: Dióxido de manganês, óxido de boro, fluoreto de sódio, etc.... 
 
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Cementação Líquida
� Principais Vantagens
1 - Rapidez de operação, permitindo a obtenção de grandes 
profundidades em tempo relativamente curto;
2 - Não há necessidade de pré aquecimento da peça já que estas 
entram em contato diretamente com o banho líquido, atingindo a 
temperatura necessária em poucos minutos;
3 - Proteção contra oxidação durante o tratamento,
4 - Facilidade de operação;
5 - Maior controle da profundidade de penetração;
6 - Possibilidade de operação contínua ( colocação de novas peças 
enquanto as demais continuam em tratamento;
7 - Reduzido risco de empenamento;
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Cementação Líquida
� Principais Limitações
1 - Os fornos exigem exaustão pois o cianetos a altas 
temperaturas são venenosos;
2 - Risco de contato como substâncias altamente tóxicas como 
sais de cianetos e ácidos.
3 - Após a cementação líquida deve -se evitar o resfriamento 
ao ar, porque a película de sal aderente a superfície da 
peça pode causar oxidação;
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Cementação Gasosa
Principais Limitações
1 - Ocorrência de reações químicas complexas e perigosas;
2 - Instalação complexa com diversos controles ( temperatura, tempo, 
temperatura, atmosfera, necessitando de um operador bem qualificado;
Principais Limitações
1 - Ocorrência de reações químicas complexas e perigosas;
2 - Instalação complexa com diversos controles ( temperatura, tempo, 
temperatura, atmosfera, necessitando de um operador bem qualificado;
Principais Vantagens
1 - Mistura carbonizante bem definida e estável durante todo o 
processo;
2 - Processo limpo;
3 - Melhor controle do teor de carbono e da espessura da camada 
cementada;
4 - Processo rápido.
Principais Vantagens
1 - Mistura carbonizante bem definida e estável durante todo o 
processo;
2 - Processo limpo;
3 - Melhor controle do teor de carbono e da espessura da camada 
cementada;
4 - Processo rápido.
O carbono necessário é proveniente da atmosfera do forno 
(CO, propano, metano, etano )
O carbono necessário é proveniente da atmosfera do forno 
(CO, propano, metano, etano )
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Cementação Gasosa
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Cementação à Vácuo
Principais Vantagens Comparado a Cementação Gasosa
1 – Excelente uniformidade e repetitibilidade devido ao alto grau de 
controle de processo oferecido pelos fornos á vácuo.
2 - Processo limpo;
3 – Melhora das propriedades mecânicas devido a falta de oxidação 
intergranular (O2 não participa do processo);
4 – Ciclos de tratamento mais rápidos.
Principais Vantagens Comparado a Cementação Gasosa
1 – Excelente uniformidade e repetitibilidade devido ao alto grau de 
controle de processo oferecido pelos fornos á vácuo.
2 - Processo limpo;
3 – Melhora das propriedades mecânicas devido a falta de oxidação 
intergranular (O2 não participa do processo);
4 – Ciclos de tratamento mais rápidos.
Neste processo a cementação ocorre em baixas pressões parciais de 
hidrocarbonetos em fornos a vácuo. O processo consiste de 4 etapas:
• Homogeneização a temperatura de cementação (pressão 0,1 a 0,5 
torr).
• Aumento do teor de carbono, com introduções de hidrocarbonetos 
(pressão de 10 a 50 torr).
• Difusão do carbono (pressão de 0,1 a 0,5 torr).
• Têmpera em óleo. Nitrogênio é utilizado como gás de proteção.
Neste processo a cementação ocorre em baixas pressões parciais de 
hidrocarbonetos em fornos a vácuo. O processo consiste de 4 etapas:
• Homogeneização a temperatura de cementação (pressão 0,1 a 0,5 
torr).
• Aumento do teor de carbono, com introduções de hidrocarbonetos 
(pressão de 10 a 50 torr).
• Difusão do carbono (pressão de 0,1 a 0,5 torr).
• Têmpera em óleo. Nitrogênio é utilizado como gás de proteção.
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Cementação à Vácuo
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Determinação da Camada Cementada
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Tratamento Térmico Peças Cementadas
� Têmpera Direta
� Têmpera de Camada
� Têmpera de Núcleo
� Têmpera Dupla
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Têmpera Direta
� Granulação Aço
� Processo de Cementação
� Propriedades Camada
� Propriedades Núcleo
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Temperatura de cementação
% C núcleo
Tempo 
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Têmpera da Camada
� Granulação Aço
� Processo de Cementação
� Propriedades Camada
� Propriedades Núcleo
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Têmpera do Núcleo
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Temperatura de cementação
% C núcleo
Tempo 
A3 ACM
� Granulação Aço
� Processo de Cementação
� Propriedades Camada
� Propriedades Núcleo
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� Granulação Aço
� Processo de Cementação
� Propriedades Camada
� Propriedades Núcleo
Têmpera Dupla
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Tratamentos Termoquímicos
� Cementação (Carbonetação).
� Nitretação.
� Carbonitretação.
� Nitrocarbonetação.
� Boretação.
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Tratamento de Nitretação
� A nitretação é um tratamento termoquímico que 
visa o endurecimento superficial pela difusão de 
nitrogênio e conseqüente formação de nitretos.
� A nitretação é realizada em temperaturas abaixo 
do campo austenítico e não é necessário um 
tratamento subseqüente de têmpera para 
aumento de dureza.
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Tratamento de Nitretação
1 - Uso de aços que contém Al, Cr e Mo 
para formar nitretos mais duros.
2 - Temperatura de tratamento abaixo da 
crítica entre 500 ºC e 600 ºC.
3 - Aços com 0,85 a 1,5% de Al (nitralloys) 
apresentam melhor resistência desgaste.
4 - Tratamento térmico prévio de Têmpera 
é usual antes da nitretação.
5 – Menor possibilidade de empenamento 
e distorções.
CARCTERÍSTICAS
DO
PROCESSO
CARCTERÍSTICAS
DO
PROCESSO
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Propriedades Obtidas com Nitretação
● Maior dureza superficial;
● Maior resistência ao desgaste;
● Maior resistência ao desgaste adesivo severo (galling)
● Maior resistência a fadiga;
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Aços para Nitretação – Aços Baixa Liga com Al
Aço
Nitralloy C(%) Mn(%) Si(%) Cr(%) Mo(%) Al(%) Outros(%)
G 0,35 0,55 0,30 1,20 0,20 1,00
135M* 0,42 0,55 0,30 1,60 0,38 1,00
N 0,24 0,55 0,30 1,15 0,25 1,00 3,5 Ni
EZ 0,35 0,80 0,30 1,25 0,20 1,00 0,20 Se
* Similar ao Aço SAE 7140.
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Aços para Nitretação – Aços Baixa Liga com Al
Aço
Nitralloy
Temperatura 
Austenitização
Temperatura 
Revenido
G 955 565 a 705
135M* 955 565 a 705
N 900 650 a 675
EZ 955 565 a 705
* Similar ao Aço SAE 7140.
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Aços para Nitretação – Outros Aços
�Aços de médio carbono de baixa liga contendo Cromo das Séries: 
4100, 4300, 5100, 6100, 8600, 8700 e 9800.
�Aços Ferramenta de Trabalho a Quente contendo 5% de Cromo 
como H11, H12 e H13.
�Aços de baixo carbono de baixa liga contendo Cromo das Séries: ·
3300, 8600 e 9300.
�Aços Ferramenta Endurecíveis ao Ar como: A2, A6, D2, D3 e S7.
�Aços Rápidos como M2 e M4.
�Aços Inoxidáveis com Nitrogênio das séries 30, 40, 50 e 60.
�Aços Inoxidáveis Ferríticos e Martensíticos das séries 400 e 500.
�Aços Inoxidáveis Austeníticos das séries 200 e 300.
�Aços Endurecíveis ·por Precipitação como: 13-8 PH, 15-5 PH, 17-
4 PH, 17-7 PH, A-286, AM350 e AM355.
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Camada Nitretada
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Camada Nitretada
(a) Aço Fe-0.31C-2.50Cr-0.2Mo-0.15V , 36 horas a 525ºC, apenas zona de difusão.
(b) Aço 4140 24horas a 510 ºC com zona de compostos Fe4N (camada branca) e 
zona de difusão.
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Processos de Nitretação
Métodos
de
Nitretação
Métodos
de
Nitretação
PlasmaPlasma
GasosaGasosa
LíquidaLíquida
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Nitretação Gasosa
● Consiste em submeter o material a ação de uma 
atmosfera rica em N2. O meio nitretante gasoso mais 
comum é a amônia (NH3).
A reação global do processo é dada por:
2 NH3→ 2 N + 3 H2
● A temperatura de nitretação gasosa para todos os aços 
está entre 495 e 565ºC.
● A temperatura mínima de revenimento deve ser 30ºC 
superior à temperatura de nitretação.
● Antes de serem nitretados, os componentes são 
submetidos a uma limpeza desengraxante com vapor.
● Consiste em submeter o material a ação de uma 
atmosfera rica em N2. O meio nitretante gasoso mais 
comum é a amônia (NH3).
A reação global do processo é dada por:
2 NH3→ 2 N + 3 H2
● A temperatura de nitretação gasosa para todos os aços 
está entre 495 e 565ºC.
● A temperatura mínima de revenimento deve ser 30ºC 
superior à temperatura de nitretação.
● Antes de serem nitretados, os componentes são 
submetidos a uma limpeza desengraxante com vapor.
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Nitretação Gasosa
�Processo lento devido a difusão do N2 os tempos de 
tratamento variam entre 10 h e 100 horas (48 a 72 horas).
�Profundidades de camada típicas estão entre 0,05 mm à
0,5 mm com profundidade máxima de 0,8 mm.
�Dureza superficial: 1.000 a 1100 HV
�Indicado para aços que contenham Al, Cr, Va, e Mo. Estes 
elementos de liga favorecem a formação dos Nitretos.
�Processo lento devido a difusão do N2 os tempos de 
tratamento variam entre 10 h e 100 horas (48 a 72 horas).
�Profundidades de camada típicas estão entre 0,05 mm à
0,5 mm com profundidade máxima de 0,8 mm.
�Dureza superficial: 1.000 a 1100 HV
�Indicado para aços que contenham Al, Cr, Va, e Mo. Estes 
elementos de liga favorecem a formação dos Nitretos.
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Nitretação Gasosa
� Existem duas práticas de nitretação gasosa:
� Estágio único – em que os componentes são 
tratados em temperaturas entre 495 ºC e 525 ºC e 
é formada uma camada dura e frágil de nitretos na 
superfície, denominada camada branca. 
(15 a 30% dissociação).
� Duplo estágio (processo Floe) – tem como objetivo 
reduzir a espessura de camada branca formada no 
primeiro estágio. (75 a 80% dissociação).
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Nitretação Gasosa Duplo Estágio
Esquerda: Aço 4140 Nitretado em único estágio a 525 ºC por 24 horas, camada 
0,008, (20 a 30% de dissociação).
Direita: Aço 4140 Nitretado em duplo estágio a 525 ºC por 5 horas(20-30%), a 565 
ºC por 20 horas (75-80% dissociação) sem zona de compostos (camada branca).
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Nitretação Gasosa Duplo Estágio
Aço 7140. (1) Nitretado no primeiro estágio com dissociação de 15 a 
20% e no segundo de 60 a 70%. (2) Nitretado no primeiro estágio 
com dissociação de 25 a 28% e no segundo de 75 a 80%. 
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� As aplicações dos processos de nitretação gasosa e líquida são 
muito similares. Porém o tempo de tratamento é reduzido.
� O processo gasoso é recomendado para camadas mais 
espessas e aplicações em que a camada branca não é desejada 
pois oferece a opção de nitretação de duplo estágio.
� Como na nitretação gasosa, os aços submetidos à nitretação 
líquida são aços com teores de carbono entre 0,1 e 1,3% de C, 
podendo apresentar microestruturas ferríticas, perlíticas, bainíticas 
ou martensíticas. Aços carbono podem ser nitretados.
Nitretação Líquida
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� Os melhores resultados de resistência ao desgaste são obtidos 
com aços nitralloys (contendo Al e Cr).
� O meio nitretante é um banho de sal fundido à base de cianetos, 
operado em temperaturas entre 510 e 580ºC.
Nitretação Líquida
Componente Composição (%)NaCN 60 a 70
KCN 30 a 40
Carbonatos, Cianatos e Aditivos Até 10
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Nitretação Líquida - Aplicações
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Nitretação Líquida
Aço após nitretação líquida. Com zona de compostos e camada 
de difusão. A estrutura característica com formato de agulhas, 
aparece após envelhecimento a 300ºC. 
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� Consiste em um processo sob vácuo (pressão entre 
1 a 10 torr).
� Introdução de nitrogênio na superfície do metal é
obtida pelo plasma gerado pela alta tensão entre a 
carcaça do forno e as peças a serem tratadas. 
� Esta diferença de potencial ioniza o gás à base de 
nitrogênio formando íons N3+, que são acelerados em 
direção a superfície das peças.
Nitretação Iônica (Plasma)
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� O processo de nitretação iônica, em comparação ao 
processo de nitretação gasosa, apresenta um controle 
mais preciso do potencial de nitrogênio na superfície do 
metal.
�Por meio deste controle é possível selecionar a 
camada branca ε (Fe2-3N) ou γ (Fe4N) ou, ainda, evitar 
completamente a formação de camada branca.
Nitretação Iônica (Plasma)
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Nitretação Iônica (Plasma)
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� O processo de nitretação iônica vem substituindo a 
carbonitretação gasosa devido ao melhor controle 
dimensional das peças tratadas e a minimização ou 
eliminação da usinagem final após o tratamento.
�A microestrutura inicial influencia no perfil de dureza 
após a nitretação.
�A microestrutura de martensita revenida nos aços 
liga apresenta os melhores resultados.
Nitretação Iônica (Plasma)
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�As temperaturas de operação estão entre 375 e 650°C .
�O gás de processo é uma mistura de N2, H2 e, em alguns 
casos, pequenas quantidades de metano (CH4). O H2 tem o 
papel de ajustar o potencial de nitrogênio (balanço da 
composição).
�Após o aquecimento da carga, o gás de processo é admitido 
com uma vazão previamente calculada com base na área total 
das peças á serem tratadas.
�A pressão é normalmente regulada entre 1 e 10 torr.
�O resfriamento é realizado com a recirculação do gás de 
processo ou N2.
Nitretação Iônica (Plasma) - Processo
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Nitretação Iônica (Plasma)
Vantagens
•Forma uma camada fina de nitretos o que é desejável;
•Possibilidade de nitretação de materiais sinterizados.
•Fácil controle, sem emissão de poluentes, em utilização em 
crescimento no mundo;
•Possibilidade de compor a atmosfera com outros gases e /ou 
elementos metálicos;
Aplicações
• Os aços mais empregados são da série nitralloys e possuem em 
sua composição aproximadamente 1%Al e 1-1,5%Cr. 
• Outras aplicações envolvem o uso aços-liga contendo Cr, aços 
inoxidáveis, aços ferramentas e ferros fundidos.
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Nitretação Plasma
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Nitretação Plasma