Propriedades Mecânicas dos Materiais: Ensaio de Cementação

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UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA 
CAMPUS DE GUARATINGUETÁ 
DEPARTAMENTO DE MATERIAIS E TECNOLOGIA 
 
 
 
PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS 
ENSAIO DE CEMENTAÇÃO 
 
Gabriel Almeida Cardoso de Souza – 161322921 
Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá – UNESP. 
Departamento de Materiais e Tecnologia, Turma 321. 
 
Resumo: Este Relatório aborda aspectos elementares do Tratamento Térmico de Cementação; 
utilizado para aumentar a concentração de carbono na superfície de uma peça. Através desse ensaio, 
obtém-se uma curva que representa a relação existente entre o tempo e a profundidade da camada 
cementada. 
 
 
Palavras-chave: Tratamentos Termoquímicos, Difusão, Cementação. 
 
 
 
1. INTRODUÇÃO TEÓRICA 
 
1.1 Tratamentos Termoquímicos 
 
 Tratamentos Termoquímicos são processos que usam a adição por difusão de elementos 
químicos (exemplo: carbono, nitrogênio e boro) na superfície do aço e nas seções na qual a peça 
requer uma dureza elevada. Como a difusão desses elementos só ocorrem com o aquecimento do 
aço, o tratamento é denominado dessa forma de termoquímico. 
 
 Aplicando calor em um meio adequado provoca-se alteração da composição química do aço, até 
uma determinada profundidade, a qual depende da temperatura de aquecimento e do tempo de 
permanência junto ao meio em questão. A modificação parcial da composição química, seguida do 
tratamento térmico apropriado, produz uma alteração na estrutura do material resultando em 
modificações nas propriedades mecânicas. 
 
 Os tratamentos térmicos consistem em aumentar a dureza e resistência ao desgaste superficial 
mantendo o núcleo dúctil, entretanto, pode ser aplicado com outro propósito, como o de aumentar a 
resistência à fadiga, à corrosão e a oxidação em altas temperaturas. 
 
 Os tratamentos termoquímicos mais utilizados são: nitretação, cianetação, carbonitretação, 
nitrocarbonetação, boretação e cementação, assunto deste relatório. 
 
1.2 Difusão 
 
 Difusão é o transporte de material através do aquecimento e da movimentação dos átomos. O 
processo no qual os átomos de um material se “movimentam” para o interior de outro é chamado de 
interdifusão ou difusão de impurezas. A difusão também ocorre nos metais puros, porém neste caso, 
todos os átomos que estão mudando de posição são do mesmo tipo, logo não há mudança na 
composição do material, esse processo é conhecido por Autodifusão. 
 
A difusão em metais pode ser por lacuna e intersticial. A difusão por lacuna consiste na 
movimentação de um átomo de uma posição normal da rede cristalina para um sítio vago no retículo, 
nesse caso a difusão é em função do número de defeitos do material. Já a difusão intersticial, 
consiste no movimento de um átomo de uma posição intersticial para outra posição intersticial que 
esteja vazia. Esse mecanismo é usado para interdifusão de impurezas, tais como hidrogênio, 
carbono, nitrogênio e oxigênio, que possuem átomos pequenos o suficiente para se encaixarem no 
interior das posições intersticiais. 
 
 
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 A difusão pode ocorrer de tal forma que o fluxo difusivo não varia ao longo do tempo, ou seja, 
uma condição de estado estacionário, porém, na maioria das condições a difusão ocorre em estado 
não estacionário, ou seja, condições transientes na qual o fluxo de difusão e o gradiente de 
concentração em um ponto no interior do sólido variam com o tempo. A difusão no estado 
estacionário e no estado não estacionário são regidas pelas leis de Fick. 
 
 Logo o fenômeno da difusão é influenciado pelas espécies difusivas e pelo material hospedeiro 
e, sobretudo, pela temperatura, que provoca as mudanças mais profundas. 
 
1.3 Cementação 
 
 Várias de peças mecânicas necessitam possuir elevada dureza externa para resistirem aos 
esforços durante o serviço, entretanto, internamente precisam ser dúcteis para também suportarem 
com eficiência os esforços (solavancos). Em geral, essas peças são de aço com baixa porcentagem 
de carbono (até 0,2% C). 
 
 Mas, para adquirirem essa capacidade, são submetidas ao tratamento térmico de cementação, o 
qual consiste em aumentar a porcentagem de carbono na superfície da peça, elevando a dureza na 
mesma, sem influenciar as propriedades do núcleo do material. O que diferencia cada tipo de 
cementação é o estado físico do meio carbonetante (meio capaz de fornecer carbono a peça 
envolvida através do processo de aquecimento): sólido, líquido, gasoso ou plasma. Em nosso 
experimento foi realizado a cementação sólida. 
 
 Em geral o teor de carbono na superfície de carbono da peça através do processo de 
cementação aumenta de 0,8 a 1,0%, sendo que a profundidade do processo, isto é, a distância da 
superfície em direção ao núcleo enriquecido, varia com a temperatura do tratamento e com o tempo 
de tratamento a essa temperatura. No processo de cementação, o tempo constitui uma variável de 
suma importância, pois para uma mesma temperatura de tratamento tem-se que quanto maior o 
tempo de cementação maior será a camada enriquecida. 
 
 As temperaturas de tratamento de cementação estão acima da temperatura crítica do diagrama 
Fe-C, pois somente nessa temperatura é possível introduzir carbono na microestrutura do aço, 
geralmente entre 850o 950o. 
 
 
 
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Figura 1. 
 Em relação ao tempo de forno, conforme citado anteriormente, está intimamente ligado a 
profundidade da camada endurecida que a peça requer, sendo que esta camada depende de vários 
fatores, tais como a função que a peça vai desempenhar e dos esforços que será submetida. 
 
 
2. OBJETIVO 
 
 Realizar o ensaio tratamento térmico de cementação, reconhecer a influência do tempo na 
profundidade da camada cementada e plotar o gráfico Tempo x Profundidade da Camada 
Cementada. 
 
 
3. MATERIAIS E MÉTODO 
 
3.1 Material Utilizado 
 
 Aço com baixo teor de carbono; 
 Forno; 
 Polidora; 
 Agente Químico (Nital); 
 Microscópio Óptico; e 
 Software d processamento de imagens. 
 
 
3.2 Procedimento Experimental 
 
 Para realização do processo de cementação, cinco amostras foram colocadas no forno e 
aquecidas no meio carbonetante até a fase austenítica, permanecendo na temperatura de tratamento 
por, 1, 2, 3, 4 e 5 horas respectivamente. Após a retirada do forno cada amostra foi lixada, polida e 
atacada com nital, ataque efetuado para realçar a superfície do material. Na sequência, com a 
 
 
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utilização do software de processamento de imagem, efetuou-se a medida da profundidade da 
camada cementada para cada peça, e elaborou-se, dessa forma a Tabela 1, conforme segue: 
 
Tabela 1 - Dados Medidos - Cementação 
Amostra Profundidade da Camada Cementada (µm) 
Tempo 
(h) 
Medida 1 Medida 2 Medida 3 Média 
1 248,11 293,75 323,51 288,46 
2 389,43 406,95 377,54 391,31 
3 554,22 573,75 541,11 556,36 
4 668,73 750,44 624,19 681,12 
5 663,83 773,69 636,06 691,19 
 
 
4. Resultados e Discussão 
 
 Com os dados da tabela, plotou-se o gráfico Profundidade da Camada Cementada em função do 
tempo, conforme segue: 
 
 Analisando o gráfico, nota-se claramente que conforme o tempo de permanência no meio 
carbonetante aumenta a profundidade da camada cementada aumenta, conforme vemos na 
ilustração referente a um processo de cementação realizado em outra análise. 
 
 
Gráfico 1 
 
 
0
100
200
300
400
500
600
700
800
1 2 3 4 5
P
rofu
n
d
id
ad
e(
µ
m
)
Tempo(h)
Média
 
 
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Figura 2 – amostras do ensaio 
 
 
 
 
5. CONCLUSÃO 
 
 Diante da teoria estudada e do ensaio realizado, concluiu-se que no tratamento superficial de 
cementação, a profundidade da camada enriquecida, está intimamente associada ao fator tempo, ou 
seja, a profundidade da camada cementada é uma função do tempo. 
 
 A dificuldade do processo, no tratamento térmico de cementação, reside no fenômeno da difusão 
que depende de vários fatores, tais como taxa de difusão, espécies difusivas, material hospedeiro e, 
sobretudo, de temperatura. Nesse contexto, a cementação torna-se mais complexa quanto maior for 
a camada a ser cementada, isto torna o processo dispendioso, pois o mesmo requer um alto 
consumo de energia e mão de obra. 
 
 É importante enfatizar que os valores obtidos nesse experimento são aproximados em virtude do 
erro associado ao processo de medição. A medição torna-se subjetiva, pois não há um limite definido, 
ou seja, não há uma referência nítida capaz de promover a distinção entre a região cementada e a 
não cementada. 
 
 
REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS 
 
CHIAVERINI, V. TRATAMENTO TÉRMICO DAS LIGAS FERROSAS. AMB. São Paulo, 1987.