A cementação é um processo termoquímico essencial na indústria para elevar as propriedades mecânicas de componentes metálicos, especialmente o aço. Este tratamento superficial enriquece a camada externa do material com carbono, resultando em um aumento significativo na dureza superficial, resistência ao desgaste e à fadiga. Compreender a fundo o que é a cementação, sua relevância e como se interliga com outros tratamentos como a têmpera e o revenimento é crucial para a engenharia de materiais e processos.
O que é Cementação?
A cementação define-se como um tratamento termoquímico superficial que introduz átomos de carbono na superfície de um material metálico, usualmente o aço de baixo teor de carbono. O objetivo primordial é gerar uma camada superficial endurecida, capaz de suportar elevadas cargas de contato, abrasão e outros mecanismos de desgaste. Durante o processo, a peça é exposta a uma atmosfera rica em carbono em temperaturas elevadas, facilitando a difusão do carbono para o interior da superfície. Essa camada enriquecida em carbono, após tratamentos térmicos subsequentes, confere as propriedades mecânicas desejadas.
Qual a Função da Cementação?
A função primordial da cementação reside no aumento da dureza superficial de componentes metálicos. Essa camada endurecida age como uma barreira protetora contra o desgaste abrasivo, adesivo e por fadiga de contato. Essa característica é vital em peças submetidas a condições operacionais severas, como engrenagens, rolamentos, eixos de transmissão e ferramentas de corte. Ao empregar a cementação, prolonga-se consideravelmente a vida útil desses componentes, diminuindo a frequência de substituições e, consequentemente, os custos de manutenção.
Adicionalmente à dureza, a cementação pode aprimorar outras propriedades do material. O aumento da concentração de carbono na superfície pode elevar a resistência à corrosão em certos aços, tornando-os mais adequados para ambientes agressivos. A cementação também pode contribuir para o aumento da tenacidade do núcleo da peça, mantendo a capacidade de absorver impactos e cargas elevadas sem fraturar.
Qual o Objetivo da Cementação?
O objetivo central da cementação é otimizar as propriedades mecânicas do material, conferindo uma dureza superior à sua superfície. Essa elevação na dureza traduz-se em maior resistência ao desgaste, à abrasão e à fadiga, estendendo a vida útil do componente e minimizando a necessidade de substituições onerosas.
Além disso, a cementação busca melhorar outras características, como a resistência à corrosão e a tenacidade do material como um todo. Essas melhorias garantem um desempenho confiável em diversas aplicações, especialmente aquelas que envolvem condições de trabalho desafiadoras.
Quais as Etapas do Processo de Cementação?
O processo de cementação compreende etapas cruciais que demandam controle preciso para assegurar resultados consistentes e de alta qualidade:
- Preparação da Peça: A superfície da peça deve ser meticulosamente limpa, removendo qualquer resíduo de óleo, ferrugem, carepa ou outras contaminações que possam impedir a eficiente absorção de carbono.
- Aquecimento e Manutenção da Temperatura: As peças são aquecidas em fornos a temperaturas elevadas, tipicamente entre 850°C e 950°C, em uma atmosfera controlada. Essa temperatura é mantida por um período específico, permitindo a difusão do carbono na camada superficial.
- Introdução do Carbono: Durante o aquecimento, a peça entra em contato com um meio rico em carbono. Esse meio pode ser gasoso (gases como metano ou propano), líquido (sais cianídricos fundidos) ou sólido (carvão vegetal ou coque ativado). O carbono presente nesse meio é absorvido pela superfície do aço.
- Resfriamento Controlado: Após a etapa de cementação propriamente dita, as peças são resfriadas de maneira controlada. A taxa de resfriamento influencia a microestrutura da camada cementada e do núcleo, sendo crucial para evitar o surgimento de tensões internas e garantir as propriedades desejadas após os tratamentos térmicos subsequentes (têmpera e revenimento).
Quais os Tipos de Cementação?
Existem três métodos principais de cementação, cada um com suas particularidades e aplicações:
- Cementação Gasosa: Realizada em fornos com atmosferas controladas ricas em gases carbonosos. Oferece bom controle da profundidade da camada cementada e é amplamente utilizada para aços de baixo carbono.
- Cementação Líquida: Envolve a imersão das peças em banhos de sais fundidos contendo cianeto. É um processo rápido, mas requer cuidados devido à toxicidade dos sais.
- Cementação Sólida (ou em Caixa): As peças são empacotadas em caixas com um composto carbonoso sólido e aquecidas. É um método mais tradicional, adequado para lotes menores e peças de geometrias complexas.
A escolha do tipo de cementação depende de fatores como o material da peça, a profundidade da camada desejada, o volume de produção e as considerações ambientais e de segurança.
Relação entre Cementação, Têmpera e Revenimento
A cementação, a têmpera e o revenimento são frequentemente aplicados em sequência para otimizar as propriedades dos aços cementados:
- Cementação: Enriquecimento superficial com carbono, aumentando a dureza da camada externa.
- Têmpera: Resfriamento rápido da peça cementada a partir da temperatura de austenitização. Esse processo transforma a austenita em martensita na camada cementada, elevando ainda mais a dureza e a resistência, porém tornando-a mais frágil. O núcleo, com menor teor de carbono, também sofre transformação de fase, mas com menor dureza e maior tenacidade.
- Revenimento: Reaquecimento da peça temperada a uma temperatura inferior à crítica, seguido de resfriamento controlado. O revenimento alivia as tensões internas geradas pela têmpera, reduz a fragilidade da martensita e melhora a tenacidade sem comprometer significativamente a dureza da camada cementada.
Essa sequência de tratamentos permite obter uma peça com uma superfície extremamente dura e resistente ao desgaste, combinada com um núcleo mais tenaz, capaz de suportar impactos e cargas sem fraturar.
Exemplos de Materiais que Podem Passar pelo Processo de Cementação
A cementação é particularmente eficaz em aços de baixo e médio teor de carbono, onde a adição de carbono na superfície pode gerar uma camada martensítica dura após a têmpera. Alguns exemplos incluem:
- Aço SAE 8620: Utilizado em engrenagens, pinos e componentes que exigem alta resistência e tenacidade com superfície resistente ao desgaste.
- Aço AISI 1018: Comum em pinos, buchas e peças de fixação que necessitam de maior dureza superficial para resistir ao desgaste.
- Aço 20MnCr5: Empregado na fabricação de engrenagens e rolamentos que demandam alta resistência ao desgaste por contato e à fadiga.
- Aço ABNT 4320: Aplicado em componentes de máquinas sujeitos a cargas elevadas e ambientes severos, oferecendo boa resistência ao desgaste e à corrosão após a cementação.
A seleção do aço adequado para a cementação depende das exigências específicas da aplicação em termos de dureza superficial, tenacidade do núcleo e outras propriedades mecânicas.
Principais Normas Técnicas Utilizadas no Processo Térmico de Cementação
A aplicação da cementação é regida por diversas normas técnicas que visam garantir a qualidade, a segurança e a repetibilidade do processo. Algumas das principais normas incluem:
- ABNT NBR ISO 3755: Termos e definições de tratamentos térmicos de aços, incluindo a cementação.
- ABNT NBR 6878: Requisitos para a cementação de aços de baixo e médio carbono.
- ABNT NBR ISO 9553: Medição da profundidade da camada cementada em aços.
- ASTM A891: Especificação para aços de cementação endurecidos superficialmente.
- ISO 4526: Métodos de ensaio para determinação da dureza da camada cementada.
A observância dessas normas é fundamental para assegurar que o processo de cementação seja realizado de forma controlada e que os componentes tratados atendam aos requisitos de desempenho esperados.
MTC Trat somos uma empresa líder há mais de 20 anos em tratamentos térmicos nos processos de beneficiamento, têmpera e revenimento e austêmpera; e serviços de tratamento superficial como Geomet® e Molykote®, entre outros.