SEMINÁRIO IV

CEMENTAÇÃO A VÁCUOPROCESSOS DE FABRICAÇÃO - I

Professor Antonio Carlos Gomes Junior

Alan Corridoni de Camargo RA 070580Alex Rodolfo Teixeira RA 070583

Luiz Fábio Pinto RA 070386Felipe M. de Oliveira RA 070857

Leonardo N. O. Campos RA 070632

Sorocaba / SP

2009SUMÁRIO

1 - Abstract............................................................................................................................ 03

2 - Introdução........................................................................................................................ 03

3 - Cementação..................................................................................................................... 04

4 - Reações fundamentais na cementação........................................................................ 05

5 - Principais variáveis da cementação.............................................................................. 065.1 Temperatura................................................................................................................. 065.2 Tempo.......................................................................................................................... 07

6 - Aços para cementação................................................................................................... 07 7 – Cementação a vácuo...................................................................................................... 09 7.1 Processo de cementação a vácuo.............................................................................. 09

8 – Meio Ambiente................................................................................................................ 11

9 – Fornos utilizados no processo de cementação a vácuo........................................................................................................................................................................................... 11

9.1 Fatores que diferem fornos de cementação a vácuo................................................... 11 9.2 Exemplo de forno contínuo de cementação a vácuo................................................... 12 9.3 Exemplo de forno câmara de cementação a vácuo.................................................... 14

10 – Segurança..................................................................................................................... 15

11 – Custo............................................................................................................................. 15

12 - Conclusão...................................................................................................................... 16

13 - Lista de figuras.............................................................................................................. 17

14 - Lista de gráficos............................................................................................................ 17

15 - Lista de tabelas............................................................................................................. 17

16 - Referências bibliográficas............................................................................................ 18

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1 - Abstract

The aim of this study is show the vacuum carburizing and your respective

advantage and disadvantage, environment impact and your general application.

This report is based in one of thermochemical treatment most utilized in metallurgy,

the carburizing. This process consist in introduce carbon on the surface of part, to get a

better wear resistance on surface maintaining a nucleus with a hardness relatively low.

2 - Introdução

Neste

trabalho será abordado o processo de cementação a vácuo, que é um tratamento

termoquímico. Os tratamentos termoquímicos promovem um endurecimento superficial

através de modificações da composição química e da microestrutura superficiais. Seu

objetivo é o aumento de dureza e da resistência ao desgaste de uma camada superficial,

mantendo-se a microestrutura do núcleo dúctil e tenaz. Os tratamentos termoquímicos

mais importantes industrialmente são: cementação, nitretação e carbonitretação.

A cementação a vácuo consiste na difusão de átomos de carbono a partir da

superfície por uma atmosfera contendo CH4 ou CO numa temperatura em que o aço está

austenítico, formando uma camada superficial de alta dureza e resistente a abrasão,

decorrente do aumento do teor de carbono na superfície do material. O carbono difunde

continuamente pelo material criando um perfil de composições que varia com o tempo e a

profundidade da camada, mantendo-se um núcleo dúctil, com o objetivo de promover

alterações de propriedades mecânicas dos mesmos.

Os materiais para cementação são aços com teor de carbono até 0,2%, podendo o

material possuir na sua composição Mn, Al, V, Si, Ni e Cr (esses últimos com a finalidade

de facilitar a têmpera). A temperatura de tratamento é entre 850ºC e 1000ºC. A

profundidade de cementação varia com a temperatura de tratamento e o tempo de

permanência a essa temperatura. Em geral varia numa faixa entre 0,01 até 3,0mm no

máximo. Uma cobertura de cobre depositado eletroliticamente possibilita a cementação

3

das partes não cobertas.

3 - Cementação

O processo de endurecimento superficial de cementação é o processo mais

utilizado atualmente e tem permanecido praticamente inalterado ao longo do tempo. Este

processo é geralmente utilizado na produção de pistas e roletes de rolamento,

engrenagens, buchas e juntas homocinéticas. O método consiste essencialmente no

aquecimento da peça envolta em um meio rico em carbono, fazendo com que o carbono

difunda para o interior aumentando o teor de carbono da camada superficial.

    A principal reação, que ocorre entre o carbono e o ferro, e

que é a responsável pela difusão do carbono para o interior da peça, pode ser

representada da seguinte maneira:   3Fe +C  Fe3C

Após a difusão do carbono é feita uma têmpera seguida de revenido para que se

produza a máxima dureza.

    Como o processo envolve a difusão do carbono, é necessário que se dê o tempo

necessário para que isto ocorra. Tempos crescentes propiciam maiores espessuras das

camadas cementadas. Como conseqüência, teremos um perfil de dureza associado ao

perfil de concentração de carbono. Os aços comumente utilizados possuem 0,10 % a 0,25

% de carbono e a temperatura varia entre 900o C e 950o C embora possam ser utilizadas

temperaturas na faixa de 850o C a 1000o C.

A máxima dureza atingida depois da têmpera nos aços ao carbono ocorre para um

teor de carbono de 0,8%. Para teores superiores a este a dureza cai devido à retenção de

austenita. Este percentual pode variar para aços que tenham maior tendência à retenção

de austenita, como acontece com os aços contendo níquel.

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4 – Reações fundamentais na cementação

Os dois principais componentes para que ocorra a cementação são o CO e CH4.

As principais reações envolvidas no processo são:

Fig. 1 – Diagrama de equilíbrio da reação CH4 + 3FE = FE3C = 2H2

As reações são reversíveis, o que faz com que o excesso de CO2 e H2 removam

carbono da superfície do aço, ou seja, atuam como descarbonetantes, ao contrário do

desejado. Para isso, deve-se procurar sempre produzir mais CO e CH4 para que ocorra a

ação carbonetante.

No processo, deve haver uma relação entre temperatura e teor de carbono na

superfície da peça. Essa combinação prediz tendências carbonetantes ou

descarbonetantes.

A figura a seguir exemplifica a curva de equilíbrio de misturas de CO CO2 com aços

de diferentes teores de carbono:

Gráfico 1 - Curas representativas do equilíbrio de CO2 com aços de diferentes teores de carbono

5

A próxima figura exibe a curva de equilíbrio caso o gás seja CH4 , com aços de

diferentes teores de carbono.

Gráfico 2 - Efeitos das várias relações CH4/H2 em aços de vários teores de carbono a diferentes

temperaturas

5 - Principais variáveis da cementação

O processo de cementação depende de vários fatores que exercem influência tanto

na espessura da camada cementada como na profundidade do endurecimento. Abaixo

está descrito resumidamente estes fatores e como eles influenciam o processo.

 

5.1 - Temperatura

A velocidade de difusão do carbono no aço está estreitamente ligada à

temperatura. A velocidade de difusão do carbono a 927o C é 40% superior do que a

871oC. Fica claro neste caso que quanto maior a temperatura menor o tempo que a peça

terá que permanecer no forno.     

Estes dados referem-se ao aço no estado austenítico, e só poderia ser assim, já

que somente no estado austenítico acontece a solubilidade do carbono suficiente para se

chegar aos percentuais utilizados na camada superficial de peças cementadas. Neste

caso, o limite inferior de temperatura para o processo está condicionado à austenitização

do aço e o limite superior está condicionado ao crescimento do grão. Se por um lado há

um aumento significativo da velocidade de difusão com o aumento da temperatura, por

outro há o crescimento do grão da austenita à medida em que se usa temperaturas mais

6

altas. Como quanto maior o tamanho de grão menor é a tenacidade do material, este

efeito se torna indesejado.

Assim, há dois compromissos que são antagônicos: ao aumenta a temperatura

aumenta-se a velocidade de difusão, mas também aumenta-se o tamanho de grão. Isto

faz com que tenha-se sempre que considerar estes dois fatores ao escolher a

temperatura de cementação.  

Para peças menos solicitadas e de menor responsabilidade é possível utilizar

temperaturas mais altas, entretanto, para peças mais solicitadas deve-se utilizar

temperaturas mais baixas, a menos que se faça um tratamento térmico posterior para

corrigir este problema.

5.2 - Tempo

A difusão do carbono também é influenciada pelo tempo em que a peça fica na

temperatura de tratamento.

A profundidade atingida no processo é proporcional à raiz quadrada do tempo. Isto

quer dizer que à mediada em que deseje-se profundidades maiores, maior será o tempo

de tratamento e a cada vez que dobra-se a espessura de cementação o tempo é

multiplicado por 4 aproximadamente. Assim, quanto maior a profundidade que se queira

maior será a consumo de energia e a ocupação do equipamento, fazendo com que este

processo se torne antieconômico para camadas de profundidade muito grande. Em geral

na prática esta espessura está limitada a 2,5 mm o que já dá um tempo de cementção de

aproximadamente 25 horas a uma temperatura de 925o C.

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6 - Aços para cementação

O primeiro requisito que o material deve possuir para ser aplicado o

processo de cementação é ser baixo-carbono, pois a difusão do carbono é mais rápida e

principalmente porque o núcleo de baixo-carbono apresenta como características de

melhor tenacidade e resistência a choque.

O material deve possuir preferivelmente uma granulação fina, pois caso contrário

ele pode eventualmente exigir uma maior número de etapas no processo de cementação,

a inicial, para cementar, processo qual se obtêm um aumento do tamanho do grão, uma

segunda de resfriamento lento e uma terceira para refinar o tamanho do grão do núcleo e

colocar o excesso de carboneto em solução na austenita, seguida de resfriamento rápido

para refinar a camada de alto-carbono e por último realizar um alivio de tensões.

Os aços de granulação fina exigem normalmente uma única operação de têmpera,

a qual pode ser realizada diretamente da temperatura de cementação.

Para uma melhor usinagem posterior, os aços geralmente são recozidos.

A tabela a seguir indica os aços ideais para cementação.

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Tab.1 - Tabela dos aços ideais para cementação

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7 - Cementação a vácuo

O processo de Cementação a vácuo, seguida de têmpera, permite um

endurecimento superficial dos aços de baixo carbono, aumentando a resistência ao

desgaste e à fadiga, entre outros benefícios. O processo é indicado para peças usinadas

prontas, como engrenagens, eixos, guias, cremalheiras, cubos, etc. A Cementação a

vácuo com têmpera a gás apresenta as seguintes vantagens, quando comparada com a

cementação gasosa convencional, com atmosfera protetiva e têmpera em óleo: As peças

ficam limpas e secas após o processo, não necessitando de desengraxe, lavagem,

decapagem, jateamento, usinagem ou outro meio posterior para limpeza, não necessita

de troca de atmosfera o que significa menor impacto ambiental, não há mais também

corrosão intergranular e devido a temperaturas mais elevadas utilizadas, o ciclo é

reduzido.

O meio de resfriamento não sofre alterações das características durante a têmpera,

com resfriamento mais uniforme e com deformação minimizada.

A atmosfera protetora e o vácuo eliminam as oxidações, grande uniformidade da

camada, da dureza e do percentual de carbono, em toda a superfície da peça, nas peças

da carga e nas peças de diferentes cargas.

Os equipamentos com tecnologia de última geração permitem trabalhos em

pressão de até 20 bar e com cargas de até 400 Kg.

O uso intenso da informática e automação no controle, operação e registros do

equipamento permite grandes variações dos ciclos nas diversas fases do processo e

maior repetibilidade, além de proporcionar fácil operação e visualização.

7.1 - Processo de cementação a vácuo

As peças são introduzidas no forno, onde se processa o vácuo. Em seguida, a

temperatura é elevada entre 840 a 1050ºC, em que a austenita fica rapidamente saturada

de carbono. Introduz-se, um fluxo controlado de hidrocarbonetos gasosos (metano,

propano, ou outro gás) em quantidade que depende da carga, da área das superfícies a

serem cementadas, do teor de carbono desejado e da profundidade de cementação.

1

O gás, ao entrar em contato com a superfície do aço, desprende vapor de carbono,

depositando uma camada muito fina de carbono na superfície do material. Esse carbono é

absorvido pelo aço, até o limite de saturação. O fluxo de gás é interrompido, e as bombas

de vácuo, que estão operando durante todo o processo, retiram o excesso de gás.

Começa a segunda fase do processo, atingindo os desejados teores de carbono e

de profundidade da camada cementada. As peças assim cementadas são menos

suscetíveis à formação de óxidos, micro fissuras, descarbonetação e outros defeitos.

Um ciclo típico da cementação a vácuo é mostrado gráfico 3 e a diferença principal

aos outros processos é de que há fornecimento de hidrocarbonetos em profusão por um

intervalo de tempo curto e logo após é retirado. O que ocorre então é que há muita oferta

na superfície do aço austenitizado, há transferência de carbono através de dissociação do

hidrocarboneto na superfície da peça a ser tratada e, com absorção direta do carbono

pela austenita. Esta oferta e absorção ocorre em muitas vezes de maneira alternada e

pulsante para evitarmos a saturação da austenita. As temperaturas usuais vão de 840 a

1050ºC. O resfriamento (têmpera) normalmente é feito com gás a pressões elevadas,

porém há equipamentos que tem a opção de têmpera em óleo ou outros meios.

Gráfico 3 – Ciclo típico de cementação e têmpera em processo a vácuo

1

8 – Meio Ambiente

A crescente preocupação mundial na conservação do meio ambiente e a

necessidade do desenvolvimento de processos industriais ecologicamente corretos vem

sendo um dos principais motivos para a procura de soluções para o desenvolvimento de

processos menos nocivo ao meio ambiente.

O processo de cementação a vácuo apresenta vantagens com relação ao ponto de

vista ambiental, além de apresentar melhor repetibilidade de processo comparada com as

cementações sólidas, liquidas e gasosas, ele é menos nocivo ao meio ambiente, pois não

necessita de troca de atmosfera como no caso principalmente do processo a gás.

9 - Fornos utilizados no processo de cementação a vácuo

Os equipamentos em sua concepção têm um desenho básico comum aos fornos

utilizados no processo a gás e também podem ser intermitentes ou contínuos, sendo que

nesta última configuração temos em verdade um agrupamento de câmaras que nos

permite uma maior produtividade.

A diferença consiste em sistemas de geração de vácuo e ao invés de tanques de

resfriamento dispomos igualmente de câmaras para onde são transportadas as cargas de

peças a serem cementadas a vácuo.

9.1 - Fatores que diferem fornos de cementação a vácuo

Dimensão

Temperatura de operação máxima

Uniformidade de temperatura

Potência de aquecimento

Tipo de forno, se contínuo quantas câmaras

Volume de óleo

Níveis de vácuo

1

.

Figura 2 – Esquema típico de forno para trabalho de cementação a baixa pressão e têmpera

9.2 - Exemplo de forno contínuo de cementação a vácuo

Abaixo, será mostrado um forno modelo VBQ, produzido pela C.I. hayes. Esse

forno é contínuo e permite uma variedade e atmosferas controladas nas diferentes

câmaras, incluindo ar ou vácuo. Ele foi desenvolvido para aplicações que requerem

controle e repetibilidade de uma pequena espessura cementada em superfície. Pode

também ser utilizado em processos como tempera, recozimento e revenimento.

1

Figura 3 – forno contínuo de cementação a vácuo fabricado pela C.I. Hayes, modelo

Figura 4 – vista em corte do forno da figura 3

9.3 - Exemplo de forno câmara de cementação a vácuo

1

Figura 5 – forno câmara de cementação a vácuo fabricado pela C.I. Hayes, modelo

Figura 6 – Vista em corte do forno da figura 5

10 - Segurança

1

No tratamento de cementação a vácuo e como em todo outro em que se utiliza

uma atmosfera com gases, deve haver a preocupação de correta instalação dos tanques

de gases atendendo a todas as normas de segurança, tanto para as áreas de

armazenamento do produto quanto nos pontos de utilização (fornos).

Os fabricantes de fornos a vácuo já tem como norma o fornecimento de

dispositivos de segurança para o equipamento - lembrando sempre que não é

interessante fazer quaisquer modificações destes dispositivos - porém a segurança não

depende exclusivamente da utilização destes, e sim também do conhecimento,

organização e atenção para qualquer divergência de processo durante a operação.

Ressaltando também que a manutenção dos fornos deve ser feita por pessoas com mão

de obra especializada e não em intervalos muito longos.

Se possível aplicar treinamentos aos colaboradores com informações sobre a

atmosfera utilizada e seus riscos pertinentes, montagem e manuseio das cargas (tanto na

carga e descarga do forno) com as peças que sofrerão o tratamento termoquímico de

cementação, e orientação sobre os equipamentos de proteção individual e coletiva

adequados.

11 - Custo

A cementação gasosa é ainda mais difundida devido à sua relação custo x

benefício, mas não há como refutar que tanto o processo a vácuo como o a plasma serão

os substitutos futuros, como aconteceu na substituição dos processos sólido e líquido

para o gasoso.

1

12 - Conclusão

Conclui-se que o objetivo do processo também é proporcionar aos aços

(geralmente de baixo teor de carbono) resistência ao desgaste e aumento de dureza

superficial, portanto, consiste na adição de carbono a superfície do aço quando colocado

em contato com substâncias carbonosas, porém neste processo com tecnologia mais

limpa.

O processo de cementação a vácuo é muito eficiente, pois não necessita de troca

de atmosfera, como na cementação gasosa, diminuindo então o impacto ambiental, aliado

a isso, após o processo, as peças já estão limpas e secas, o que não ocorre

normalmente, quando necessita-se de desengraxe, lavegem, decapagem, jateamento,

usinagem, meios de limpeza para a retirada dos produtos utilizados em outros processos,

como óleos, sais, entre outros.

Como utiliza-se de temperaturas elevadas, não há corrosão intergranular, além de

diminuir o ciclo e o processo consegue uma maior repetibilidade comparado a outros

processos de cementação. Percebe-se então quão bom é o processo, ele apenas sofre

restrições quanto ao custo, que ainda é um pouco elevado, mas a consciência ambiental

deve sobrepor aos demais interesses, pois o custo ao meio ambiente é recompensador.

1

13 - Lista de figuras

Fig. 1 - Diagrama de equilíbrio da reação CH4 + 3FE = FE3C = 2H2 – pág. 5

Fig. 2 - Esquema típico de forno para trabalho de cementação a baixa pressão e têmpera

– pág. 12

Fig. 3 - Forno contínuo de cementação a vácuo fabricado pela C.I. Hayes, modelo – pág.

13

Fig. 4 - Vista em corte do forno da figura 3 – pág. 13

Fig. 5 - Câmara de cementação a vácuo fabricado pela C.I. Hayes, modelo – pág. 14

Fig. 6 – vista em corte do forno da figura 5em corte do forno da figura 5 – pág. 14

14 – Lista de gráficos

Gráfico 1 - Curas representativas do equilíbrio de CO2 com aços de diferentes teores de

carbono – pág. 5

Gráfico 2 - Efeitos das várias relações CH4/H2 em aços de vários teores de carbono a

diferentes temperaturas – pág. 6

Gráfico 3 – Ciclo típico de cementação e têmpera em processo a vácuo – pág. 10

15 - Lista de tabelas

Tab.1 - Tabela dos aços ideais para cementação – pág. 8

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16 - Referências Bibliográficas

Trabalho “Tipos de Cementação e Impactos Ambientais” do prof. Eng. Antonio

Carlos Gomes Junior

CALLISTER Jr., W.D. Ciência e Engenharia dos Materiais – Uma introdução

Vicente Chiaverini Tecnologia Mecânica – Editora Mc Graw Hill

Tratamentos térmicos das ligas metálicas- Vicente Chiaverini

Dissertação de mestrado obtida por Júlio Frederico Baumgarten

www.cihayes.com - 07/05/09 – 14h:37min

iwww.dalmolim.com.br/EDUCACAO/MATERIAIS/Biblimat/endursup.pdf – 08/05/09 –

16h:20min

iwww.materiais.ufsc.br/lcm/TratTermoquimicosSuperficiais.pdf – 08/05/09 –

17h:45min

www.durferrit.com.br – 09/05/09 – 19h:30min

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