Técnicas avançadas de tratamento térmico de superfícies de aço

Os componentes de máquinas, tais como engrenagens e veios, que funcionam sob condições de tensão complexas, requerem propriedades diferentes na sua superfície e no seu núcleo devido às diferentes tensões que suportam. Os métodos tradicionais de tratamento térmico não conseguem muitas vezes satisfazer este requisito. As tecnologias de tratamento térmico de superfície são utilizadas para ultrapassar esta limitação.

Existem dois tipos principais de tratamentos térmicos de superfície: o endurecimento da superfície, que altera a microestrutura sem alterar a composição química da superfície, e o tratamento térmico químico da superfície, que modifica tanto a microestrutura como a composição química da superfície.

Endurecimento de superfícies de aço

O endurecimento superficial do aço é um processo de tratamento térmico que envolve o aquecimento rápido da superfície da peça de trabalho para a austenitizar, seguido de um arrefecimento rápido para obter uma camada martensítica na superfície. Engrenagens, cames e várias peças de eixo operam sob cargas flutuantes e suportam fricção e impacto, sendo que as suas superfícies suportam tensões mais elevadas do que os seus núcleos.

Por conseguinte, a superfície deve possuir uma elevada resistência, dureza e resistência ao desgaste, enquanto o núcleo deve manter uma resistência adequada, plasticidade e tenacidade suficientes. As técnicas de endurecimento de superfícies podem cumprir estes requisitos de um exterior duro com um interior resistente. Dependendo do método de aquecimento, o processo pode ser classificado em endurecimento por indução, endurecimento por chama e endurecimento por laser.

Endurecimento por indução

O endurecimento por indução utiliza o princípio da indução electromagnética para gerar uma corrente induzida de alta densidade na superfície de uma peça de trabalho, aquecendo-a rapidamente até ao estado austenítico antes de arrefecer rapidamente para obter uma estrutura martensítica, como ilustrado na Figura 1-40.

A profundidade da camada endurecida obtida pelo endurecimento por indução depende principalmente da frequência da corrente; quanto maior a frequência, menor a profundidade da camada endurecida. Na produção, diferentes frequências de corrente são seleccionadas com base no tamanho da peça e na profundidade necessária da camada endurecida. O endurecimento por indução pode ser classificado em três tipos com base na frequência da corrente:

O endurecimento por indução de alta frequência funciona normalmente a frequências de corrente de 80 a 1000 kHz, produzindo uma camada endurecida à superfície de 0,5 a 2 mm, utilizada principalmente para o endurecimento da superfície de engrenagens de módulo médio e pequeno e pequenos veios.

O endurecimento por indução de média frequência, com frequências de corrente comuns de 2500 a 8000 Hz, pode atingir uma camada superficial endurecida de 3 a 6 mm, utilizada principalmente para peças que requerem camadas endurecidas mais profundas, como cambotas de motores, engrenagens de grande módulo e veios maiores.

O endurecimento por indução por frequência de potência funciona com uma frequência de corrente normalizada de 50 Hz, capaz de obter uma camada superficial endurecida de 10 a 15 mm, utilizada principalmente para o aquecimento de materiais de aço de grande diâmetro e para o endurecimento da superfície de peças de trabalho de grandes dimensões que requerem camadas endurecidas profundas.

O endurecimento por indução oferece velocidades de aquecimento rápidas, alta eficiência de produção, distorção mínima da peça de trabalho e endurecimento de alta qualidade, tornando-o adequado para a produção em massa.

A profundidade da camada endurecida é facilmente controlada, facilitando a mecanização e a automatização. É utilizado principalmente para aço estrutural de médio carbono ou aço estrutural de baixa liga de médio carbono com uma fração de massa de carbono de 0,4% a 0,5%, mas também é aplicável a aços para ferramentas de alto carbono e peças de ferro fundido. No entanto, o equipamento de endurecimento por indução é complexo e dispendioso, e não é adequado para a produção de pequenos lotes ou peças com formas irregulares.

Endurecimento por chama

O endurecimento por chama utiliza uma chama de alta temperatura, gerada a partir de oxi-acetileno ou outros gases combustíveis, para aquecer rapidamente a superfície de uma peça de trabalho antes de a extinguir com água. Esta técnica de endurecimento de superfícies é simples, conveniente e económica, mas o controlo da temperatura de aquecimento pode ser um desafio, conduzindo frequentemente a sobreaquecimento e a uma qualidade de endurecimento inconsistente.

Normalmente, a camada endurecida obtida através do endurecimento por chama mede entre 2 a 6 mm de profundidade, tornando-a adequada para peças individuais ou pequenos lotes e para o endurecimento da superfície de grandes veios e engrenagens com um módulo elevado.

Endurecimento por laser

O endurecimento por laser envolve o varrimento da superfície de uma peça de trabalho com um feixe de laser, austenitizando rapidamente a superfície. Quando o feixe de laser se afasta da superfície, o metal do substrato absorve uma quantidade significativa de calor, fazendo com que a superfície arrefeça rapidamente e endureça.

Este método é conveniente e flexível, e pode utilizar a reflexão do laser para endurecer formas complexas, incluindo cantos, ranhuras, furos cegos e paredes laterais de furos profundos. A camada endurecida do endurecimento a laser varia tipicamente entre 0,3 e 0,5 mm de profundidade, resultando numa estrutura martensítica extremamente fina com elevada dureza e excelente resistência ao desgaste.

Tratamento térmico químico de superfície do aço

O tratamento térmico químico superficial do aço consiste em colocar a peça num meio químico que contém determinados átomos activos. Através do aquecimento, estes átomos difundem-se na camada superficial da peça até uma certa profundidade, alterando a sua composição química e microestrutura, obtendo assim propriedades diferentes do núcleo através deste processo de tratamento térmico.

Após o tratamento térmico químico, a superfície do aço pode atingir uma maior dureza, resistência ao desgaste e resistência à fadiga do que a têmpera superficial, enquanto o núcleo mantém uma boa plasticidade e tenacidade, bem como uma maior resistência. Os tratamentos térmicos químicos adequados podem também conferir à superfície do aço propriedades especiais, como a redução do atrito, a resistência ao desgaste e a resistência à corrosão, tornando a aplicação deste processo cada vez mais generalizada.

Dependendo do elemento difusor, os tratamentos térmicos químicos de superfície do aço podem ser classificados em cementação, nitretação, carbonitretação, boretação e metalização, sendo a cementação, a nitretação e a carbonitretação as mais comuns.

Carburação

A cementação envolve a colocação de peças de aço com baixo teor de carbono num meio de cementação e o seu aquecimento a 900-950°C para permitir a difusão de átomos de carbono ativo na superfície do aço, alterando a microestrutura e as propriedades da camada superficial. Existem três métodos principais de cementação: sólido, líquido e gasoso, sendo a cementação gasosa o mais utilizado na produção.

Na cementação a gás, as peças de trabalho são colocadas num forno selado de alta temperatura com um meio gasoso de cementação, normalmente utilizando agentes como querosene ou gás natural, e aquecidas a cerca de 920-950°C. O processo de cementação é controlável, resultando numa camada cementada de alta qualidade com boas propriedades mecânicas, elevada produtividade e condições de trabalho favoráveis.

A cementação é frequentemente aplicada a peças críticas feitas de aços de baixo carbono ou de baixa liga, tais como engrenagens, pinos de pistão e veios. Após a cementação, o teor de carbono da camada superficial atinge 0,85%-1,05% em massa.

Após a têmpera e o revenido a baixa temperatura, a microestrutura da superfície é constituída por martensite e carbonetos de alto teor de carbono em forma de agulha fina, oferecendo elevada dureza e resistência ao desgaste, enquanto a microestrutura do núcleo apresenta martensite ou bainite de baixo teor de carbono, garantindo uma resistência adequada e boa tenacidade.

Nitretação

A nitruração é um processo químico de tratamento térmico que introduz azoto na superfície do aço para formar uma camada de endurecimento enriquecida com azoto. Este tratamento melhora significativamente a dureza da superfície, a resistência ao desgaste, a resistência à fadiga e a resistência à corrosão da peça de trabalho. A nitretação pode ser dividida em nitretação gasosa e nitretação iónica, sendo a nitretação gasosa a mais comum.

Envolve a introdução de gás amoníaco num forno de nitruração selado, aquecido a temperaturas de nitruração, onde se decompõe para libertar átomos de azoto activos que são absorvidos e difundidos pela superfície do aço para formar uma camada nitretada, normalmente com 0,3-0,5 mm de espessura.

O aço é normalmente pré-condicionado por têmpera e revenido para melhorar a maquinabilidade e obter uma estrutura de sorbite temperada uniforme, garantindo uma elevada resistência e tenacidade.

Os aços adequados para a nitruração incluem o aço estrutural, o aço para ferramentas e o aço inoxidável, particularmente quando ligados com elementos como o Cr, Mo, Al, Ti e V para melhorar a dureza da superfície, a resistência ao desgaste, a resistência à fadiga e a resistência à corrosão, mantendo simultaneamente boas propriedades mecânicas no núcleo.

Para formas complexas ou peças de precisão, o recozimento de alívio de tensões é efectuado após a maquinagem de precisão e antes da nitruração para minimizar a deformação durante a nitruração.

Em comparação com a cementação, as peças de aço nitretado têm maior dureza superficial, resistência ao desgaste, estabilidade térmica, resistência à fadiga e menor sensibilidade ao entalhe. Além disso, uma densa película de nitreto formada na superfície do aço após a nitretação proporciona uma excelente resistência à corrosão. Além disso, como a temperatura de nitretação é baixa, a peça de trabalho não necessita de tratamento térmico adicional após a nitretação, resultando numa deformação mínima.

Carbonitretação

A carbonitretação é a difusão simultânea de carbono e azoto na superfície do aço. O método mais utilizado na produção é a carbonitretação a gás, com o objetivo de melhorar a resistência à fadiga, a dureza da superfície e a resistência ao desgaste, utilizando uma mistura de gases de cementação e nitretação.

Com base na temperatura, a carbonitretação pode ser dividida em alta, média e baixa temperatura, sendo a carbonitretação a gás de média e baixa temperatura normalmente utilizada na produção.

A carbonitretação a gás a média temperatura consiste em colocar a peça num forno selado, aquecê-la a 820-860°C e introduzir querosene ou gás de cementação juntamente com amoníaco.

A espessura da camada carbonitretada é tipicamente de 0,5-0,8 mm, seguida de têmpera e revenido a baixa temperatura. A peça de trabalho beneficia das vantagens da cementação e da nitruração, sendo principalmente utilizada para peças pequenas, de forma complexa e resistentes ao desgaste que requerem uma deformação mínima.

A carbonitretação a gás a baixa temperatura é essencialmente um processo de difusão de azoto-carbono, que aquece a peça de trabalho a 500-570°C numa atmosfera que contém átomos de carbono e azoto activos, formando uma camada carbonitretada com uma espessura típica de 0,2-0,5 mm. Geralmente, não é necessário qualquer outro tratamento térmico após a carbonitretação, permitindo a sua utilização imediata.

A dureza da superfície da peça de trabalho é elevada sem ser frágil e, devido à baixa temperatura de tratamento e à curta duração, a deformação é mínima. Isto torna-o amplamente aplicável a aço-carbono, aço-liga e materiais de ferro fundido, adequado para várias ferramentas, moldes e algumas peças de eixo.