Tratamento térmico x termoquímicos

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Tratamento térmico x termoquímicos
O tratamento térmico convencional para endurecimento não altera a composição química do aço, ou seja, o material inicia o tratamento com 0,4% de carbono e termina com 0,4% de carbono. No entanto, às vezes é necessário trazer o aço para completar as modificações em sua composição química para melhorar as propriedades de sua superfície. Essas mudanças são obtidas através de tratamento termoquímico.
Este tratamento visa principalmente aumentar a dureza e resistência do desgaste do material da superfície e, ao mesmo tempo, manter o núcleo dúctil (macio) e tenaz 
Em peças como engrenagens, deseja-se um núcleo tenaz e uma superfície resistente ao desgaste. Para essa aplicação, aços com baixo teor de carbono são submetidos ao tratamento termoquímico de cementação, que eleva o teor de carbono na superfície, aumentando sua resistência ao desgaste, ao mesmo tempo que preserva a tenacidade do núcleo, mantido com baixo teor de carbono.
Meios para realizar o tratamento: são as fontes de C e N. Podem ser sólidos, líquidos e gasosos. Inicialmente a cementação foi desenvolvida em meio sólido, mas esse não é o meio mais eficiente.
Na atualidade prefere-se meios líquidos e gasosos para a realização de tratamentos termoquímicos, devido à maior velocidade do processo quando realizado com esses fluidos como meios..
O que é cementação?
A cementação é certamente o método mais antigo para endurecimento superficial de aços. Dados históricos revelam que tem sido usado desde a época do Império Romano.
A cementação consiste na introdução de maiores quantidades de carbono em superfícies de aço com baixo conteúdo de carbono. Portanto, é indicado para aço leve ou liga de aço quando o carbono original é inferior a 0,25%. A cementação aumenta esse nível até valores em torno de 1%, garantindo superfícies duras e um núcleo mais resistente.
Partes de aço com porcentagem média ou alta de carbono que sofrerão severas operações de flexão tendem a quebrar. No entanto, se eles são feitos com aço de baixo teor de carbono (por exemplo, SAE 1010) e depois são moldados e cementados, é possível ter um bom resultado sem que as peças corram o risco de rachaduras. 
O potencial químico do carbono no meio de cementação determina o potencial máximo de carbono que o aço pode atingir e assim o teor de carbono na superfície do material.
O processo de difusão dos átomos de carbono na matriz rica em ferro do aço depende de alguns fatores:
• Temperatura de tratamento.
• Tempo de tratamento (até a saturação).
• Composição química do aço, incluindo o teor de carbono. 
• Potencial químico do carbono na superfície da peça.
A cementação pode ser realizada em meio sólido, líquido ou gasoso, também podendo ser utilizado plasma.
Cementação sólida
Neste tipo de cementação, a peça é colocada em uma caixa de aço contendo substâncias ricas em carbono: carvão vegetal, coque, carbonato de cálcio e óleo de linhaça. Em seguida, a peça é trazida para o forno a temperaturas em torno de 930°C durante o tempo necessário para obter a camada desejada. Depois disso, a peça é submetida ao temperamento para atingir a dureza.
O tempo de residência no forno pode variar de uma a trinta horas e a camada adquirida varia de 0,3 mm a 2,0 mm.
Entretanto, devido à lentidão da cementação sólida e às dificuldades de controle preciso dos resultados obtidos com esse processo, acabou sendo superado por outros processos, como a cementação gasosa e a cementação líquida. Por estes motivos passou a ter aplicação restrita, embora do ponto de vista microestrutural seja uma base para os demais processos.
O tratamento de cementação é realizado acima da zona crítica, no campo austenítico, no qual a solubilidade do carbono no aço é elevada.
Embora a fonte de carbono seja sólida, o carbono é transportado pelo gás que se forma em torno da peça, a qual é envolvida pelo meio de carbonetação. A reação CO2 + C = 2CO é crítica para definir o potencial químico do carbono.
Os cementos sólidos são tradicionalmente constituídos por uma mistura de carvão vegetal moído, porém não muito fino, e carbonatos, os quais agem como catalisadores, aumentando a proporção de CO em relação à de CO2. Um cemento tradicional é o de Caron, constituído por 40 % de carbonato de bário e 60 % de carvão vegetal.
A cementação sólida é lenta, requerendo algumas horas de permanência acima da zona crítica (900 a 1000 ºC) e durante este tempo ocorre crescimento de grão austenítico. Por esse motivo, após a cementação sólida em caixa é necessário um tratamento térmico que permita refinar o grão, geralmente a normalização.Após a normalização a camada superficial pode ser endurecida por têmpera.
Como resultado da cementação e da têmpera, a temperatura de têmpera foi suficiente para temperar a região cementada, devido ao seu alto teor de carbono, porém não modifica muito as propriedades do núcleo da peça, que deste modo preserva sua ductilidade. O interior da peça permanece na região intercrítica com resfriamento lento: perlita e ferrita, a superfície da peça é austenitizada e depois temperada, resultando em martensita.
A Dupla Têmpera é um tratamento térmico alternativo à normalização: uma primeira têmpera é realizada a cerca de 900 ºC, e é seguida por um novo tratamento de têmpera, porém em temperatura mais baixa (da ordem de 770 ºC). Deste modo, o núcleo poderá apresentar uma microestrutura mais refinada, obtendo assim melhor tenacidade. O tratamento é completado por um revenimento a 180 ºC para que as tensões sejam aliviadas. Os revenimentos de peças cementadas são obrigatoriamente realizados em baixas temperaturas para afetar o mínimo possível a dureza da camada cementada. A profundidade (espessura da camada cementada) depende do tempo de tratamento: a espessura da camada cementada aumenta com o tempo de cementação.
Na cementação sólida é inviável o ajuste do potencial químico do carbono, havendo considerável risco de cementação excessiva, inclusive formação de cementita em rede, que causa trincas na têmpera e no acabamento superficial.
Quando os gradientes de teor de carbono são muito altos há risco de lascamento da cama cementada.
Cementação sólida ou em caixa
Na  cementação  sólida  as  peças  de  aço  são  acondicionadas  em  caixas  metálica,  a  que  se  adiciona carvão de madeira (cerca de 5% a 20%) ou coque, catalisador constituído de uma mistura de 50 a 70% de carbonato  de  bário  com  outros  carbonatos  (cálcio,  potássio  e  sódio)  e  um  óleo  ligante  ou  alcatrão  (em quantidades que variam de 5%  a 10%). O carvão de madeira é o  mais usual devido a sua reatividade e pureza,  com  baixo  teor  de  enxofre.  Os  ativadores  mais  comuns  são  os  carbonatos  alcalinos  –  ferrosos, como  carbonato  de  sódio,  carbonato  de  potássio,  carbonato  de  cálcio  e  bário.  E  por  ser  mais  resistente mecanicamente a quente, é adicionado 20% de coque para aumentar a transferência de calor, e obtenção de temperaturas mais uniformes.
O princípio fundamental do processo de cementação sólida, se baseia na formação através  de reações termoquímicas do gás Monóxido de Carbono (CO) e sua reação com a microestrutura austenítica (Fe gama), promovendo em elevada temperatura (850º a 1050ºC) a difusão do carbono a partir da superfície  em direção ao  núcleo do material. A figura 2  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 gama) e o gás cementante formado (processo gasoso).
As reações principais para a cementação sólida são:
(C) é o carbono nascente, que é absorvido pelo aço
figura 2
As principais Vantagens e desvantagens da cementação sólida são:
Vantagens:
Pode utilizaruma maior variedade de fornos, pois produz sua própria atmosfera cementante;
É ideal para peças que precisam de resfriamento lento após a cementação, como as que serão usinadas antes do tratamento;
Diminui a tendência ao empenamento das peças devido ao fato delas se apoiarem bem na mistura carburizante sólida.
Desvantagens:
Não permite controle do potencial de carbono na superfície da peça;
Não é recomendada para têmpera direta após cementação, devido à dificuldade de desempacotar peças;
É mais lenta que os outros processos de cementação, pois é preciso aquecer e resfriar a peça junto com a caixa que a contém;
As temperaturas mais utilizadas são normalmente de 815°C a 955°C, chegando as vezes a 1095°C.
A profundidade da camada cementada varia de 0,6 a 6,9 mm dependendo das condições de tempo e temperatura empregadas.Essa profundidade, em termos práticos, é medida por meio da dureza. Considerase camada cementada efetiva a região com dureza maior que 50 RC. Existe ainda a camada cementada total, que é definida como a região, na qual houve aumento do teor de carbono. Pode ser determinada por análise química ou outra propriedade física, como a dureza.