21 Tratamentos Termoquímicos

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Tratamentos Termoquímicos
Prof. Dr. José Henrique Alano
Introdução
✓ Visam à adição, por difusão, de elementos químicos
(carbono, nitrogênio, boro, ...) na superfície do aço;
✓ A adição é feito com aquecimento entre 300 e 1200 C;
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Introdução
✓ Objetivo:
▪ Aumentar a dureza e a resistência ao desgaste da
superfície mantendo o núcleo dúctil;
▪ Outros propósitos → resistência à fadiga, à corrosão, à
oxidação em altas temperaturas etc.
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Introdução
✓ Principais processos:
▪ Cementação;
▪ Nitretação;
▪ Cianetação;
▪ Carbonitretação;
▪ Nitrocarbonetação;
▪ Boretação.
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Introdução
✓ Fatores que influenciam no controle do processo:
▪ Potencial do meio (sólido, líquido, gasoso ou plasma) em
fornecer o elemento químico;
▪ Capacidade da peça absorver esse elemento →
relacionado com a solubilidade e a difusão;
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Introdução
✓ Dados para o cálculo de difusão de C, B e N no ferro CCC e
CFC.
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Difusão e Solubilidade dos Elementos Químicos
Quanto > a temperatura > a difusão, entretanto, temperaturas muito altas 
podem fragilizar devido ao crescimento excessivo dos grãos
Introdução
✓ Solubilidade do B, C e N.
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Difusão e Solubilidade dos Elementos Químicos
Qual tratamento utiliza a menor 
temperatura de operação?
Perfil de Distribuição do Soluto
✓ A equação descreve o perfil de distribuição de soluto em uma
matriz:
✓ Onde:
▪ C(X,t) é a concentração de soluto na posição X, no tempo t; Cs
é a posição de soluto na superfície; Co concentração de soluto
inicial; X distancia da superfície; D coef. de difusão; t tempo;
erf função erro.
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𝐶 𝑋, 𝑡 = 𝐶𝑠 − 𝐶𝑠 − 𝐶𝑜 erf
𝑋
2 𝐷𝑡
Perfil de Distribuição do Soluto
✓ A equação abaixo é útil para estimar o tempo dos
tratamentos termoquímicos:
✓ Xp é a distancia em que a concentração alcança um valor
intermediário entre Cs e Co (
𝐶𝑠+𝐶𝑜
2
).
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𝑋𝑝 ≈ 𝐷𝑡
Perfil de Distribuição do Soluto
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A penetração de soluto aumenta com o tempo.
Perfil de Distribuição do Soluto
✓ Exercício: Calcular o tempo
necessário para que a 1 mm da
superfície seja alcançado 0,4% de C,
aquecendo-se um aço 1020 a 950 C.
Supor um potencial de C na
superfície de 0,8%. Nessas condições,
qual seria a profundidade da camada
cementada (Xp)? O coeficiente de
difusão do carbono no aço nesta
temperatura é de 1,6x10-11 m2/s
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𝑋𝑝 ≈ 𝐷𝑡
𝐶𝑥 − 𝐶𝑜
𝐶𝑠 − 𝐶𝑜
= 1 − erf
𝑥2
𝐷𝑡
Cementação
✓ Consiste na introdução de C na superfície do aço, que após
têmpera, apresenta uma superfície mais dura com núcleo
tenaz.
✓ Condições:
▪ Aço baixo C (C < 0,3%)→ AISI 1010 a 1035 e baixa liga.
▪ Temperatura entre 815 e 950 °C.
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Cementação
✓ Meios de cementação:
▪ Sólida;
▪ Gasosa;
▪ Líquida;
▪ Vácuo;
▪ Plasma.
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Cementação
✓ Microestrutura cementada:
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Cementação
✓ O aço é acomodo em caixas metálicas → é adicionado uma
fonte de C (carvão de madeira ou coque), catalizador
(mistura de carbonatos) e um óleo ligante ou alcatrão.
✓ Principais reações:
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Sólida
Carvão + O2 → CO2
Carvão + CO2 → 𝐶𝑂
BaCO3 + Carvão → BaO + CO + energia
2CO ↔ 𝐶𝑂2 + (C) Absorvido pelo aço
Cementação
✓ Vantagens:
▪ Pode ser realizada em uma grande variedade de fornos
→ produz a atmosfera cementante;
▪ Ideal para peças que precisam de resfriamento lento
após a cementação.
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Sólida
Cementação
✓ Desvantagens:
▪ Não é indicada para camadas com tolerância estreita;
▪ Não permite o controle do potencial de C na superfície;
▪ Não recomendado para têmpera direta → dificuldade de
desempacotar a peça;
▪ É mais lenta (caixa e peça são aquecidas e resfriadas);
▪ Dificuldade de automatização.
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Sólida
Cementação
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Efeito do tempo
(a) Efeito do tempo de 
cementação na profundidade 
de camada e (b) na 
distribuição de C. Condições: 
aço 3115, cementado a 925 
°C com carvão de madeira, 
coque e carbonado de sódio.
Cementação
✓ Profundidade da camada cementada:
▪ Varia de 0,6 a 6,9 mm;
• Na prática é medida por meio da dureza → “camada
cementada efetiva” aquela com dureza > que 50 HRC.
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Sólida
Cementação
✓ Material das caixas:
▪ Aço baixo carbono→ baixa vida útil;
▪ Aço inoxidável→maior vida útil;
▪ Aço baixo C com revestimento de Al → menor custo por
peso de peça cementada.
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Sólida
Cementação
✓ Material das caixas:
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Sólida
(a) Vida em serviço e (b) custo por hora.
Cementação
✓ Consistem em submeter o material em forno com
atmosfera de potencial de C controlado.
✓ Gás cementante
▪ Gás natural (metano-CH4, etano C2H6); propano (C3H8);
butano (C4H10); álcool etílico volatilizado (C3H5OH);
✓ Gás veículo
▪ Diluir o gás cementante mantendo pressão positiva no
forno→mistura de N2, CO, CO2, H2, e CH4.
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Gasosa
Cementação
✓ Principais reações
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Gasosa
𝐶𝐻4 ↔ 𝐶 + 2𝐻2
𝐶𝑂 + 𝐻2𝑂 ↔ 𝐶𝑂2 + 𝐻2
𝐶𝑂 + 𝐻2 ↔ (𝐶) + 𝐻2𝑂
𝐶𝑂 ↔ (𝐶) + 𝐶𝑂2
Cementação
✓ Principais reações
▪ As reações são reversíveis!
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Gasosa
Efeito da relação CH4:H2 em 
diferentes aços e temperaturas. 
Composição à direita é carbonetante e 
à esquerda descarbonetante.
Cementação
✓ Profundidade da camada cementada
▪ Varia de 0,5 a 2,0 mm → depende do tempo, da
temperatura e do potencial de C no forno.
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Gasosa
Aço 1022 cementado a gás a 920 °C
Cementação
✓ Profundidade da camada cementada
▪ Varia de 0,5 a 2,0 mm → depende do tempo, da
temperatura e do potencial de C no forno.
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Gasosa
Efeito da temperatura no perfil de distribuição de C para dois aços cementados a gás.
Cementação
✓ Equipamentos e aplicações
▪ Processo contínuo é indicado para alto volume de
produção com camada cementada menor que 2 mm.
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Gasosa
Cementação
✓ Equipamentos e aplicações
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Gasosa
Exemplos de peças cementadas a gás.
Cementação
✓ Vantagens
▪ Processo mais limpo;
▪ Melhor controle do teor de C;
▪ Processo rápido para produção contínua;
▪ Possibilita têmpera direta.
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Gasosa
Cementação
✓ Desvantagens
▪ Alto custo de equipamento;
▪ Requer mão de obra qualificada.
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Gasosa
Cementação
✓ Consiste em manter o aço em uma banho de sal fundido;
✓ Profundidade da camada
▪ Depende da composição do banho e da temperatura.
✓ Composição do banho
▪ O banho contém cianeto de sódio (NaCN) e cianato de
sódio (NaCNO) → contém N → podendo formar nitretos
que aumentam a resistência ao desgaste.
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Líquida
Cementação
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Líquida
O tratamento pode ser feito de forma combinada 
para reduzir trincas
Cementação
✓ Espessura da camada
▪ Em banhos de baixa
temperatura → 0,13 a
0,25 mm;
▪ Nos banhos de alta
temperatura → 0,5 a
3,0 mm.
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Líquida Aço 1020
Cementação
✓ Principais reações
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Líquida
2𝑁𝑎𝐶𝑁 ↔ 𝑁𝑎2𝐶𝑁2 + 𝐶
2𝑁𝑎𝐶𝑁 + 𝑂2 ↔ 2𝑁𝑎𝑁𝐶𝑂
𝐵𝑎 𝐶𝑁 2 ↔ 𝐵𝑎𝐶𝑁2 + (𝐶)
𝑁𝑎𝐶𝑁 + 𝐶𝑂2 ↔ 𝑁𝑎𝑁𝐶𝑂 + 𝐶𝑂
Cementação
✓ Equipamentos
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Líquida
Cementação
✓ Equipamentos
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Líquida
Cementação
✓ Vantagens
▪ Obtenção de profundidade apreciável com tempo
relativamente curto (maior contato com o meio);
▪ Proteção efetiva contra descarbonetação;
▪ Possibilidade de operação contínua.
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Líquida
Cementação
✓ Desvantagens
▪ Produz resíduos tóxicos→ cianetos;
▪ Necessidade de limpeza posterior em alguns casos.
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Líquida
Cementação
✓ O aço é austenitizados em vácuo com posterior injeção de
gás cementante (metano ou propano);
✓ A câmara é evacuada e preenchida com nitrogênio;
✓ Em seguida as peças são temperadas em óleo.
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A Vácuo
Cementação
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A Vácuo
Forno para cementação contínua a vácuo.
Forno câmara simples.
Cementação
✓ Vantagens
▪ O processo oferece melhor uniformidade e um controle
mais preciso da camada;
▪ Evita a oxidação intergranular;
▪ As peças saem muito mais limpas.
✓ Desvantagens
▪ Alto custo do equipamento.
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A Vácuo
Cementação
✓ Na cementação iônica, a dissociação do metano forma
diretamente o C ativo→ processo mais rápido;
✓ Utiliza-se temperaturas mais altas → facilitando a difusão
do C.
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Ionica ou a plasma
10 min a 1050 °C seguidode 30 em vácuo 
produz o mesmo perfil de C que 6 horas a 
918 °C.
Cementação
✓ Esquema de um sistema de cementação iônica.
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Ionica ou a plasma
Cementação
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Ionica ou a plasma
Comparação entre cementação iônica e a gás para o aço 1020.
Cementação
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Ionica ou a plasma
Perfil de distribuição de C do aço 8620 cementado a 980 °C por 30 min.
Cementação
✓ Vantagens
▪ Camada mais uniforme em regiões de difícil acesso;
▪ Mais seguro;
▪ Não utiliza gases tóxicos.
✓ Desvantagens
▪ Maior custo de operação.
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Iônica ou a plasma
Nitretação
✓ Introdução superficial de nitrogênio no aço pelo
aquecimento entre 500 e 570 °C (condição ferrítica) para
formar uma camada de nitretos.
✓ Produz menos distorções e menor tendência a causar
trincas.
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Nitretação
✓ Camada nitretada:
▪ Região branca: é formada por nitretos de ferro (γ’-Fe4N
e/ou ε-Fe2-3N) → a fase γ’ é mais tenaz enquanto que a
fase ε é mais dura e resistente ao desgaste.
▪ Região difusa: parte do N fica dissolvido na ferrita →
endurecimento por SS; outra parte forma nitretos →
endurecimento por precipitação;
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Nitretação
✓ Camada nitretada:
50
Nitretação
✓ Microestrutura
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Nitretação
✓ Altíssima dureza superficial→ ≈70 HRC;
✓ Alta resistência ao desgaste;
✓ Melhorar a resistência à fadiga e à corrosão (exceto inox);
✓ Superfície resistente ao amolecimento por aquecimento
(até ≈500 °C);
✓ Superfície com menor coeficiente de atrito.
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Razões para utilizar a nitretação
Nitretação
✓ Submeter o aço a uma atmosfera de amônia entre 500 e
565 °C.
53
Nitretação a gás
𝑁𝐻3 ↔ 𝑁 +
3
2
𝐻2
Nitretação
✓ Aços empregados:
▪ Normalmente aços com elementos formadores de
nitretos (como Al, Cr e V)
▪ Ex: Aços ao cromo 41xx, 43xx, 51xx ...; aços ferramenta...
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Nitretação a gás
Aços C em geral formam uma camada nitretada fina e quebradiça.
Nitretação
✓ Aços empregados:
▪ Aços com Al produzem camada de altíssima dureza e
baixa ductilidade.
▪ Aços ao Cr produzem camadas mais dúcteis e de menor
dureza.
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Nitretação a gás
Nitretação
✓ Aços empregados:
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Nitretação a gás
Nitretação
✓ Mudanças dimensionais:
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Nitretação a gás
Nitretação
✓ Aquecimento na mesma faixa de temp da nitretação a gás;
✓ Banho a base de cianeto e cianato (adiciona um pouco de C
na peça).
✓ Aços empregados:
▪ Aço C baixa liga, aço ferramenta, inoxidável e aço
resistente ao calor.
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Nitretação líquida
Nitretação
✓ Vantagens em relação à gasosa:
▪ Tempo utilizado é bem menor;
▪ Emprego de aço carbono;
✓ Desvantagem:
▪ Menor espessura de camada nitretada (0,015 mm contra
0,7 mm)
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Nitretação líquida
Nitretação
✓ Profundidade da camada
▪ Gradiente de N no aço 1015 em função do tempo de
nitretação líquida a 565 °C.
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Nitretação líquida
Nitretação
✓ Propriedades das peças nitretadas
▪ Aumenta a resistência ao desgaste e à fadiga.
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Nitretação
✓ Propriedades das peças nitretadas
▪ Reduz o coeficiente de atrito.
66
Nitretação
✓ Propriedades das peças nitretadas
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Nitretação
✓ Apresenta a mesma tecnologia apresentada na cementação
iônica;
✓ Em um vaso a vácuo, é criado plasma e os íons de N são
acelerados em direção à peça (cátodo);
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Nitretação iônica ou a plasma
Nitretação
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Nitretação iônica ou a plasma
Esquema de equipamento para nitretação à plasma.
Nitretação
✓ Vantagens em relação à gasosa:
▪ Melhor controle da composição e uniformidade da camada;
▪ Provoca menor distorção → temperaturas menores;
▪ Não poluente;
▪ Menor consumo de energia;
▪ Maior facilidade para automação;
▪ Menor tempo de nitretação;
✓ Desvantagens:
▪ Alto custo;
▪ Mais lento que a carbonitretação.
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Nitretação iônica ou a plasma
Carbonitretação
✓ É um processo utilizado para introduzir C e N no aço a partir
de uma mistura gasosa apropriada.
✓ Processo misto de cementação a gás e nitretação a gás;
✓ Utilizado em temperaturas intermediárias entre os dois
processos → 700 a 900 °C → produz menor distorção que a
cementação.
71
Objetivo é formar uma camada dura e resistente ao desgaste 
entre 0,07 a 0,7 mm.
Carbonitretação
✓ Utilizada em aços com teores de C na faixa de 0,25% em
peso.
▪ ex: 10xx, 11xx, 12xx, 13xx, 14xx, 15xx, 41xx, 46xx, 51xx.
✓ Menor profundidade de camada que na cementação;
✓ O N aumenta a resistência ao amolecimento pelo calor;
✓ O N aumenta a temperabilidade do aço → aumentando a
profundidade endurecida após a têmpera;
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Carbonitretação
✓ Profundidade da camada carbonitretada:
74
Carbonitretação
✓ Equipamentos similares aos da cementação gasosa.
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Nitrocarbonetação
✓ Adição conjunta de C e N estando o aço no campo ferrítico.
✓ O objetivo é produzir uma região branca e melhorar a
resistência ao desgaste.
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Nitrocarbonetação
✓ Realizada a 570 °C de 1 a 3 horas;
✓ O aço é resfriado rapidamente em óleo para manter o N em SS
→ aumenta significativamente a resistência à fadiga.
✓ A composição da camada é uma mistura de carbonetos,
nitretos e carbonitretos → depende da composição da liga e
dos gases envolvidos.
✓ Os gases são uma mistura de metanol e amônia;
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A gás
Nessa temp. D do N na ferrita é ≈3x 
maior que o do C
Nitrocarbonetação
✓ Realizada a 570 °C de 1 a 3 horas (menor que cementação);
✓ O aço é resfriado rapidamente em óleo para manter o N em SS
→ aumenta significativamente a resistência à fadiga.
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A gás
Nessa temp. D do N na ferrita é ≈3x 
maior que o do C
Nitrocarbonetação
80
A gás
Nitrocarbonetação
✓ Resistência ao desgaste
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Comparativo de resistência ao desgaste entre uma peça 
cementada e nitrocarbonetada.
Nitrocarbonetação
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A Plasma
✓ Variação do processo de nitretação a plasma, adicionando-
se (até 2,5%) de CO2 na mistura gasosa.
✓ Temperatura de tratamento: ≈ 570 °C;
✓ Espessura da camada branca: ≈ 5 µm;
✓ Um camada branca formada exclusivamente por
carbonitretos ε é deseja no que diz respeito às
propriedades tribológicas.
Nitrocarbonetação
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Austenítica
✓ Quando a temperatura de tratamento provoca a
transformação parcial da matriz ferrítica em austenítica.
✓ Objetivo: aumentar a dureza na região subsuperficial;
✓ Vantagem em relação ao plenamente ferrítico: após
tempera e revenimento, produz martensita revenida e
bainita, elevando a dureza.
Nitrocarbonetação
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Austenítica
✓ Os elevados teores de N e C na região austenítica, conduz a
uma redução da temperatura Mi (menor que a ambiente).
✓ O reaquecimento transforma a austenita em bainita →
aumentando a dureza→ “envelhecimento”.
Nitrocarbonetação
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Austenítica
Nitrocarbonetação
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Austenítica
✓ O processo de nitrocarbonetação austenítica eleva
significativamente a resistência ao desgaste do aço.
✓ Camadas austeníticas de 50 a 200 um com dureza Vickers
entre 750 e 900 são típicas neste processo.
✓ Pode ser combinado com cementação anterior e são
aplicados em discos de embreagem, engrenagens, partes de
bombas de água, rolamentos, etc.
Nitrocarbonetação
89
Austenítica
Oxinitrocarbonetação
90
✓ Oxidação após nitrocarbonetação;
✓ Forma uma camada de Fe3O4 após sopro de oxigênio na
peça;
Utilizado em matrizes para 
injeção de Al.
Boretação
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✓ Consiste em aquecer o aço entre 700 e 1000 C de 1 a 12
horas em contato com agente boretante → objetivando a
formação de Fe2B e FeB;
✓ O ideal é uma camada monofásica de Fe2B;
✓ As camadas bifásicas são mais susceptíveis a trincas;
Boretação
92
Boretação
93
Boretação
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✓ A adição de elementos de liga retardam o crescimento da
camada boretada pela redução da difusividade do boro →
tornando plana a forma da camada;
✓ Al e Si foram borosilicatos e boroaluminatos,
respectivamente → entre matriz e camada de boreto →
baixa dureza → aços com alto teor de Si e Al não são
recomendados para boretação
Boretação
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O boro pode ser fornecido por diferentes vias:
✓ Gasosa: BCl3 diluído em hidrogênio→ alto custo;
✓ Plasma: utiliza o gás diborano→ extremamentetóxico;
✓ Líquida: apresenta dificuldade de remoção dos sais (B4C,
KBF4, Na2B4O7);
✓ Sólida: mais empregada→ carboneto de boro mais utilizado
(B4C).
Boretação
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✓ A boretação sólida é realizada
em caixa;
✓ A camada varia de 10 a 300 um;
✓ As peças boretadas podem ser
temperadas e revenidas, porém,
o aquecimento deve ser feito em
vácuo;
Boretação
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Vantagens
✓ Dureza extremamente alta;
✓ Alta resistência à corrosão;
✓ Pode ser aplicado em uma ampla variedade de aços;
✓ Camada com baixo coeficiente de atrito.
Boretação
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Desvantagens
✓ Baixa flexibilidade para automação;
✓ Difícil ajuste da peça após a boretação;
✓ Menor resistência à fadiga comparada com cementação ou
nitretação;
✓ O reaquecimento da peça requer vácuo ou atm protetora
para preservar a camada boretada.
Boretação
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Aplicações
✓ Eixos, engrenagens, guias, matrizes, etc.
Comparação
100