TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS

Prévia do material em texto

TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS 
GRAZIELA DE SOUSA CAVALCANTE1 
Graduanda de Engenharia Mecânica 
 
RESUMO 
A engenharia de superfície representa o método tecnicamente atraente e 
economicamente viável que se visa melhorar a camada superficial dos materiais. Sendo 
parte disso, o tratamento termoquímico emprega difusão térmica para incorporar átomos 
metálicos ou não-metálicos em uma superfície de material para modificar sua química e 
microestrutura. Este trabalho cobre alguns dos principais aspectos do tratamento 
termoquímico de superfície de metais e ligas. Uma mistura de fundamentos de engenharia 
e desenvolvimentos científicos globais recentes não deve ser útil apenas para 
profissionais da área de metalurgia e materiais, mas também para especialistas de outras 
áreas da engenharia. 
Palavras-chave: Tratamento termoquímico, superfície, microestrutura. 
 
1 INTRODUÇÃO 
Historicamente, o tratamento termoquímico limitava-se a peças usinadas, forjadas 
e fundidas com aplicação em máquinas, automotivo, ferramentaria, perfuração de 
petróleo, mineração e defesa. Os principais processos abrangeram nitretação, cementação 
e suas combinações. Da mesma forma, o aço foi, na prática, o único material sujeito à 
modificação. Para aumentar a previsibilidade e repetibilidade do processo, a nitretação a 
gás convencional foi refinada e a técnica alternativa de nitretação iônica (plasma) foi 
introduzida. Na busca pelo processo perfeito, a tecnologia de plasma ainda é um assunto 
de melhoria contínua e técnicas desenvolvidas de nitretação pós-alta ou nitretação a 
plasma de tela ativa podem servir como exemplos. Nesse ínterim, as modificações 
termoquímicas incluíram outros processos, como boronização, aluminização, cromização 
ou difusão termo-reativa, explorando vanádio, molibdênio e outros elementos formadores 
de carboneto. Embora nunca tenham alcançado o nível de aplicação da nitretação, 
atendem com sucesso a muitos nichos de mercado. 
Nas últimas décadas, uma aplicação do tratamento termoquímico se expandiu para 
ligas com químicas exóticas, metais não ferrosos como o alumínio e também metais 
refratários. Numerosos processos híbridos foram desenvolvidos onde a difusão 
termoquímica é uma parte do tratamento de várias etapas envolvendo revestimento, 
cladeamento, processamento a laser etc. Embora as aplicações convencionais ainda 
dominem, observa-se uma expansão do tratamento termoquímico para novas técnicas de 
fabricação, como micro fabricação de escala, células de combustível ou eletrônica. 
 
 
1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ. Email: graziela.cavalcante@tucurui.ufpa.br 
2 DESENVOLVIMENTO 
2.1 Difusão atômica 
A difusão atômica pode ser definida como um mecanismo pelo qual a matéria é 
transportada através da matéria. O movimento atômico em gases é relativamente rápido. 
O movimento em líquidos é, em geral, mais lento que em gases. O movimento em sólidos 
é bastante restrito, já que as forças de ligações atômicas são elevadas. Vibrações atômicas 
de origem térmicas, existentes em sólidos, permitem movimentos atômicos limitados. A 
difusão atômica em metais e ligas é, particularmente, importante, pois a maioria das 
reações em estado sólido, que são fundamentais em metalurgia, envolve movimentos 
atômicos. 
 
2.1.1 Carbonatação (Cementação) 
O objetivo da cementação é enriquecer as camadas superficiais de aço ou outras 
ligas com carbono. Para atingir a solubilidade de carbono e profundidade de penetração 
suficientes, o tratamento é realizado a temperaturas relativamente altas de 900-950 °C. 
Como resultado, os aços obtêm a superfície dura, pois não têm o teor de carbono 
suficiente em seu volume. O teor de carbono reduzido é deliberadamente selecionado para 
reter a resistência do núcleo. 
Uma variedade de aplicações de cementação de aço foi explorada por décadas 
com exemplos típicos de engrenagens automotivas. Isso inclui também os aços 
inoxidáveis, em particular os inoxidáveis ferríticos e austeníticos. Recentemente, o 
processo de cementação atraiu uma atenção crescente na área de aços inoxidáveis 
martensíticos. Uma comparação dos perfis de profundidade de dureza para todas as três 
famílias de aços inoxidáveis é mostrada na figura 1. Na área de ligas não ferrosas, a 
cementação é usada para aumentar a resistência ao desgaste de algumas ligas de titânio. 
Figura 1: Perfis de dureza de profundidade para aço inoxidável cementado de 
diferentes graus. 
 
2.2 Nitretação 
A nitretação foi e continua a ser o principal tratamento termoquímico que, junto 
com a nitrocarbonetação ferrítica, representa o volume dominante das tecnologias de 
modificação de superfícies industriais. O tratamento leva à incorporação de nitrogênio na 
superfície do aço enquanto este está em estado ferrítico. Em aplicações comerciais, a zona 
modificada típica tem até 200-300 µm de espessura, e raramente excedem 600 µm. Seu 
impacto na distribuição da dureza superficial, em termos de valor máximo e profundidade 
de penetração, em comparação com outros tratamentos térmicos e termoquímicos pode 
ser observado na figura 2. Não há nenhum tratamento térmico adicional necessário após 
a nitretação e a superfície do componente experimenta um aumento na dureza, resistência 
ao desgaste, resistência à corrosão aprimorada e vida útil à fadiga. 
Para implementar a nitretação, diversas tecnologias, explorando diferentes fontes 
de nitrogênio, foram comercializadas. Podemos citar a nitreação de gás, nitretação de sal 
líquido, nitretação de plasma (íon), nitretação a laser e implantação de feixe de íons. 
Em geral, a nitretação é amplamente aplicada em uma variedade de aços carbono, 
aços de baixa liga, aços para ferramentas, aços inoxidáveis e ferros fundidos. Para ótimas 
propriedades após a nitretação, entretanto, existem aços com produtos químicos, 
especialmente projetados para esta finalidade. Eles contêm fortes elementos formadores 
de nitreto, como Al, Cr, Mn, Mo e V. Há uma limitação no teor de carbono que não deve 
exceder 0,5%, já que a maioria dos elementos formadores de nitreto também formam 
carbonetos estáveis que limitam a ligação do nitrogênio. 
Figura 2: Perfis de profundidade de dureza para tratamentos térmicos e termoquímicos 
selecionados, enfatizando diferenças na dureza máxima e profundidade de penetração. 
 
 
2.3 Carbonitretação 
A carbonitretação é um processo semelhante à cementação em que uma fonte de 
nitrogênio é adicionada à atmosfera de cementação, resultando na incorporação 
simultânea de carbono e nitrogênio na superfície da liga. Às vezes, carbonitretação é 
confundida com nitrocarbonetação. Geralmente é um tratamento em duas etapas, 
conduzido em temperaturas de 800-940 °C em um ambiente contendo carbono e 
nitrogênio e é seguido por extinção. Em temperaturas de carbonitretação, que são 
substancialmente mais altas do que as utilizadas durante a nitretação ou 
nitrocarbonetação, o aço está no estado austenítico, apresentando alta solubilidade de 
carbono. Para melhorar a tenacidade, a têmpera é seguida pela segunda etapa de 
revenimento a baixa temperatura ou alívio de tensões. 
A carbonitretação é amplamente aceita para melhoria de superfície de aços 
carbono simples, tendo baixa temperabilidade. No entanto, a nitrocarbonetação causa 
menor tensão de compressão e distorção de tamanho / forma, como é o caso do aço SAE 
1010. 
 
2.4 Boronização 
Durante a boronização, também chamada de boração, a camada superficial do 
material é saturada com boro. O processo é realizado em meio sólido, líquido ou gasoso 
e pode ser aplicado a qualquer material ferroso, bem como a ligas de Ni, Co ou Ti. No 
caso do aço é realizada em temperaturas entre 840 e 1050 °C por até 10 h gerando boretos 
FeB e Fe2B, que possuem estrutura em forma de agulha e dureza chegando a 2.000 HV. 
Além de melhorar a resistência ao desgaste, a boronização também aumenta a resistência 
à corrosão e à oxidação em temperaturasde até 850 °C. A principal desvantagem da 
boronização é a fragilidade da camada de composto, especialmente a fase de FeB. 
Para tratamentos com etapas de boronização temos o tratamento em dois estágios 
chamado borocromização que consiste em cromagem seguida de difusão por boronização 
e tratamento térmico. Após a boronização do pó do revestimento de cromo de 20 µm de 
espessura em aço carbono C45 a 950 °C por 4h, a microestrutura, a espessura e a 
microdureza são semelhantes à camada de boreto. Borocarburização é outro processo de 
duas etapas em que a cementação é seguida pela boronização para gerar nitretos de boro. 
 
3 CONCLUSÃO 
Embora uma ideia do tratamento termoquímico origine no início do século 20, 
ainda é um assunto de pesquisa científica. A nível comercial, verifica-se uma melhoria 
contínua das tecnologias existentes, expansão para novos tratamentos e procura de 
aplicações únicas. De interesse particular temos os híbridos que exploram uma 
combinação de processos termoquímicos convencionais com novas técnicas de 
engenharia de superfície, incluindo deformações de superfície, revestimento, 
revestimentos ou modificações a laser. Na prática, a seleção da técnica ideal depende do 
tamanho do componente, geometria, química do material, requisitos de serviço e 
economia do processo. Nos últimos anos, também um aspecto ambiental vem recebendo 
uma atenção crescente. 
 
REFERÊNCIAS 
CZERWINSKI, F. THERMOCHEMICAL TREATMENT OF METALS, HEAT 
TREATMENT - CONVENTIONAL AND NOVEL APPLICATIONS, IntechOpen, 
DOI: 10.5772/51566. 26 de setembro de 2012. Disponível em: 
https://www.intechopen.com/books/heat-treatment-conventional-and-novel-
applications/thermochemical-treatment-of-metals 
 
https://www.intechopen.com/books/heat-treatment-conventional-and-novel-applications/thermochemical-treatment-of-metals
https://www.intechopen.com/books/heat-treatment-conventional-and-novel-applications/thermochemical-treatment-of-metals