Cementação e Endurecimento de Camada: Os Fundamentos

A ideia

Algumas peças precisam de duas propriedades contraditórias: uma superfície que resista ao desgaste e à fadiga de contato, e um núcleo que absorva choque sem trincar. A cementação entrega ambas a partir de uma única peça de aço de baixo carbono. A peça é mantida a aproximadamente 880–950 °C em uma atmosfera rica em carbono; o carbono se difunde para dentro da superfície, e uma têmpera subsequente endurece apenas aquela camada enriquecida — a camada — enquanto o núcleo de baixo carbono permanece comparativamente macio e tenaz.

Profundidade de camada

A profundidade de camada é especificada como a profundidade na qual a dureza cai para um nível definido — comumente 550 HV na prática europeia (CHD, profundidade de endurecimento de camada). Duas profundidades importam:

• Profundidade efetiva de camada (até 550 HV): tipicamente cerca de 0.3–2.5 mm para engrenagens e eixos, ajustada à tensão de contato e ao módulo da engrenagem.
• Profundidade total de camada: a zona completa de difusão, sempre mais profunda do que a profundidade efetiva.

Camadas mais profundas precisam de tempo de forno desproporcionalmente maior, porque a profundidade de difusão cresce com a raiz quadrada do tempo — dobrar a profundidade leva aproximadamente quatro vezes mais tempo.

Potencial de carbono

A atmosfera do forno é controlada para um potencial de carbono — o nível de carbono superficial que a atmosfera produzirá em ferro puro na temperatura. Ele é tipicamente operado um pouco abaixo ou próximo da região eutetoide até a saturação, frequentemente em torno de 0.8–1.0% C na superfície na etapa de enriquecimento. Um potencial alto demais forma fuligem, redes de carbonetos e excesso de austenita retida; baixo demais produz uma camada rasa e macia. Os ciclos de produção frequentemente usam um padrão enriquecimento–difusão: potencial alto para impulsionar o carbono rapidamente para dentro, depois uma etapa de potencial mais baixo para definir o carbono superficial final e o gradiente.

Núcleo versus camada após a têmpera

Após a cementação, a peça é temperada (diretamente, ou após um reaquecimento para refinamento de grão) e revenida a baixa temperatura, aproximadamente 150–200 °C. A camada de alto carbono se transforma em martensita dura, tipicamente em torno de 58–62 HRC na superfície. O núcleo — ainda com apenas cerca de 0.15–0.25% de carbono — endurece apenas até onde sua temperabilidade permite, permanecendo muito mais macio e proporcionando a tenacidade em torno da qual a peça é projetada.

Aços projetados para cementação

Os aços para endurecimento de camada são de baixo carbono por projeto, ligados para resistência do núcleo e temperabilidade:

• 8620 (AISI): o aço para engrenagens norte-americano de uso geral, núcleo Ni-Cr-Mo.
• 20CrMnTi (GB): o aço para engrenagens chinês padrão; o titânio fixa o grão durante longos ciclos de cementação.
• 16MnCr5 (EN 1.7131): o cavalo de trabalho europeu para engrenagens pequenas e médias.
• Variantes de serviço mais pesado adicionam níquel (por exemplo, 18CrNiMo7-6) onde a resistência do núcleo em seções grandes é crítica.

Especificar uma peça cementada significa especificar profundidade de camada, dureza superficial e dureza do núcleo juntas — qualquer uma isoladamente é um requisito incompleto.

Variantes a gás, em caixa e a baixa pressão

A cementação tradicional em caixa, em composto sólido de carbono, é hoje em grande parte histórica. A produção moderna usa cementação a gás em fornos de atmosfera, onde o potencial de carbono é medido e controlado continuamente, ou cementação a baixa pressão (a vácuo), onde pulsos de gás hidrocarboneto em um forno a vácuo produzem camadas muito uniformes em geometrias complexas de engrenagens, sem oxidação superficial — tipicamente seguida de têmpera a gás sob alta pressão. A metalurgia que o projetista especifica é a mesma nas três; o que muda é a uniformidade, a limpeza, a economia do ciclo e o comportamento de distorção que o acabamento da engrenagem deve absorver.