Tratamento térmico e químico de metais
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As estruturas de engenharia modernas exigem materiais com alta resistência superficial, alta resistência à abrasão, fadiga e agentes químicos, mantendo a ductilidade e tenacidade do núcleo. Esta combinação desejável de propriedades pode ser alcançada através do tratamento térmico e químico.
O tratamento térmico e químico é um conjunto de processos tecnológicos que envolvem a saturação da camada superficial de elementos metálicos com elementos químicos ativos (tais como carbono, azoto, boro, crómio) e a aplicação simultânea de calor. Como resultado destes tratamentos, ocorrem alterações estruturais e químicas na camada superficial do metal que alteram radicalmente as suas propriedades.
O resultado de um tratamento térmico e químico bem executado é uma camada superficial dura e resistente ao desgaste, mantendo um núcleo dúctil e maleável, o que aumenta significativamente a durabilidade das peças de máquinas e ferramentas.
Dependendo do elemento utilizado e do processo, existem diferentes tipos de tratamento termoquímico, sendo os mais comuns a carburação, a nitretação e a carbonitretação (também conhecida como cianetação), bem como métodos mais especializados, tais como o cromagem, a aluminiagem e a boragem.
Nas secções seguintes deste artigo, examinaremos os mecanismos destes processos com mais detalhe, as suas aplicações práticas e a sua influência na microestrutura e nas propriedades da camada superficial dos metais.
Mecanismo de ação – difusão de elementos
A base de todos os processos de tratamento térmico e químico é o fenómeno da difusão, ou seja, o movimento espontâneo de átomos de uma área de maior concentração para uma área de menor concentração. Neste caso, estamos a lidar com a difusão de um elemento químico ativo (por exemplo, carbono, azoto) no metal, na maioria das vezes ferro. O processo de saturação da superfície do metal consiste em três etapas:
- Adsorção de átomos ativos – os átomos do elemento saturante depositam-se na superfície do metal, formando uma camada chamada de transição.
- Difusão superficial – os átomos movem-se pela superfície, procurando locais adequados para “entrar” na estrutura cristalina.
- Difusão interna (volumétrica) – a uma temperatura suficientemente elevada, os átomos difundem-se no metal, fixando-se nos espaços livres da rede cristalina (na maioria das vezes entre os nós, nas chamadas lacunas da rede).
A temperatura desempenha aqui um papel crucial – quanto mais elevada for, mais rápida será a difusão, maior será a profundidade de saturação da camada, mas também maior será o risco de crescimento dos grãos e de alterações no núcleo do material.
Dependendo do tipo de elemento, os átomos difusores interagem com os átomos de ferro para formar várias soluções sólidas ou compostos químicos (por exemplo, nitretos, carbonetos, boretos). É a sua presença que é responsável pelo aumento da dureza da camada superficial, aumento da resistência à abrasão e à fadiga e melhoria da resistência à corrosão e ao calor.
O processo de difusão ocorre de acordo com o gradiente de concentração, o que significa que a concentração do elemento saturante diminui com o aumento da profundidade. Isso resulta numa estrutura em camadas característica: uma zona saturada (superfície) – muito dura; uma zona de transição – com propriedades que mudam gradualmente; e um núcleo – que mantém as propriedades originais do metal.
É precisamente essa mudança estrutural e química gradual que dá ao tratamento térmico uma vantagem sobre outras tecnologias de superfície, como revestimento ou pulverização.
Carburação
A carburação é um processo de tratamento térmico no qual a superfície de um componente de aço é saturada com carbono para aumentar a sua dureza, resistência ao desgaste e resistência à fadiga. É particularmente utilizada para aços de baixo carbono, que não são adequados para endurecimento por si só. No entanto, após a carburação, ganham uma superfície dura, mantendo a ductilidade do núcleo.
Princípio de funcionamento
O processo de carburação envolve o aquecimento do aço até à temperatura de austenitização (aproximadamente 880 °C a 950 °C) e a sua manutenção numa atmosfera contendo carbono ativo durante um tempo especificado (de várias a várias dezenas de horas), dependendo da profundidade da camada necessária.
Durante esse tempo, os átomos de carbono são adsorvidos na superfície e depois difundem-se no aço, ocupando os espaços intersticiais da rede cristalina da austenita. Após a saturação, os componentes são endurecidos e temperados, permitindo uma elevada dureza da camada (frequentemente superior a 60 HRC) e mantendo um núcleo dúctil.
Tipos de carburação
Carburação em pó
- Tradicionalmente utilizada num leito de carvão vegetal e ativadores (por exemplo, BaCO₃),
- Não muito precisa, difícil de controlar,
- Atualmente, é menos utilizada, principalmente na produção de pequenos lotes de ferramentas e peças antigas.
Carburação a gás
- Mais utilizada na indústria,
- Realizada numa atmosfera de gases de carburação (por exemplo, CO, CH₄) em fornos estanques ao gás,
- Permite o controlo preciso da temperatura, do tempo e da composição da atmosfera,
- Permite obter uma camada carburada uniforme com uma profundidade de até vários mm.
Carburação a vácuo (baixa pressão)
- Um método moderno que utiliza a alimentação cíclica de gás carburante em condições de vácuo,
- Permite uma alta pureza da camada, sem oxidação e deformação,
- Especialmente recomendado para peças mecânicas precisas (por exemplo, engrenagens, rolamentos).
Estrutura e propriedades da camada carburada
Após o endurecimento, forma-se uma estrutura de martensita saturada com carbono na camada superficial, que se transforma em bainita, ferrite ou perlita à medida que o material é penetrado mais profundamente. A camada carburada atinge uma dureza superior a 62 HRC, é caracterizada por alta resistência à abrasão e à fadiga por contacto, mas tem baixa resistência a altas temperaturas e à corrosão (o que limita as suas aplicações).
Nitretação
A nitretação é um processo que satura uma superfície metálica com azoto, aumentando a dureza, resistência ao desgaste, resistência à corrosão e resistência à fadiga sem a necessidade de endurecimento. Ao contrário da carburação, a nitretação é normalmente realizada a temperaturas mais baixas (geralmente 500 °C a 580 °C), o que minimiza o risco de deformação, mantém a precisão dimensional da peça e preserva a estrutura do núcleo.
Durante a nitretação, os átomos de azoto são adsorvidos na superfície do aço, difundem-se na estrutura cristalina e formam ligações com átomos de metais da liga (como Al, Cr, Mo, V), levando à formação de nitretos intermetálicos (por exemplo, AlN, CrN, VN). São esses compostos que são responsáveis pela alta dureza e resistência da superfície.
Tipos de nitretação
Nitretação a gás
- Realizada numa atmosfera de amoníaco (NH₃), que se decompõe em azoto ativo e hidrogénio.
- Popular, barata e bem reconhecida.
- Tempo de processo: 10 a 100 horas.
- Espessura da camada até 0,5 mm, dureza até 1100 HV.
Nitretação iónica (plasma)
- Realizada em condições de baixa pressão utilizando um campo elétrico,
- A superfície metálica atua como um cátodo e as moléculas de azoto são atraídas e ”impulsionadas” para dentro do material,
- Permite um controlo preciso da profundidade e do perfil da camada,
- O processo é limpo, rápido, energeticamente eficiente e ideal para peças de precisão.
Nitretação em banho de sal
- Menos comum, envolve a imersão das peças numa solução de cianetos e nitratos.
- As condições são mais difíceis de controlar, mas a camada pode ser mais resistente à corrosão.
A eficácia da nitretação depende do teor de elementos formadores de azoto (por exemplo, Al, Cr, Mo, V), bem como da microestrutura e do tratamento térmico prévio. O aço deve ser previamente tratado termicamente e a superfície deve ser cuidadosamente limpa (sem incrustações, gordura e ferrugem).
Uma camada típica consiste em duas zonas: uma camada ligada, que é muito dura, fina (10 μm a 20 μm) e composta principalmente por nitretos, e uma camada de suporte de difusão, que é mais espessa (até 0,5 mm) e responsável pela transferência de carga.
As suas características incluem uma dureza de 900 HV a 1200 HV, excelente resistência à abrasão e fadiga, alta resistência à corrosão, especialmente quando se utilizam aços inoxidáveis, e sem necessidade de endurecimento após o processo, o que reduz a deformação e os custos.
Carbonitretação (cianetação)
A carbonitretação, também conhecida como cianetação, é um processo de tratamento termoquímico no qual a superfície do metal é simultaneamente saturada com carbono e azoto. O tratamento visa obter uma camada superficial dura e fina que oferece alta resistência ao desgaste, abrasão e fadiga, com um tempo de tratamento mais curto em comparação com a carburação clássica.
Em comparação com a carburação, a temperatura do processo é mais baixa, geralmente na faixa de 700 °C a 900 °C, o tempo de saturação é mais curto e a camada resultante é mais fina, mas mais dura devido à presença de nitretos.
A carbonitretação envolve aquecer o aço até à temperatura adequada e mantê-lo num ambiente que contenha carbono e azoto, por exemplo, na forma de gases (CH₄ + NH₃) ou banhos de sal (cianatos, cianetos).
Durante este processo, os átomos de carbono e azoto são adsorvidos na superfície e depois difundem-se no material, formando uma camada de difusão mista que contém carbonetos e nitretos de ferro e elementos de liga.
Após a carbonitretação, a dureza é tão elevada quanto 850 HV a 1000 HV, a camada tem alta resistência à abrasão e boa resistência à oxidação e corrosão (melhor do que após a carburação isolada). A camada tem normalmente 0,2 mm a 0,5 mm de espessura e há muito pouca deformação; muitas vezes, não é necessário nenhum tratamento térmico adicional. Graças a estas propriedades, a carbonitretação é utilizada, entre outras coisas, para engrenagens, eixos, buchas, parafusos e componentes que requerem alta resistência superficial e precisão dimensional.
Tipos de carbonitretação
Carbonitretação a gás
- Realizada numa atmosfera de uma mistura de gases saturantes (por exemplo, amoníaco e gases hidrocarbonetos),
- Mais comum na indústria,
- Permite controlar os parâmetros do processo e obtém-se uma camada dura com uma espessura de 0,1 mm a 0,5 mm.
Carbonitretação em banho (cianetação)
- Realizada em soluções de sais de cianeto (NaCN, KCN),
- Um processo muito rápido, mas prejudicial ao meio ambiente (toxicidade do cianeto),
- Atualmente, é cada vez menos utilizado e frequentemente substituído pela cianetação não tóxica (por exemplo, utilizando cianatos).
Carbonitretação iónica
- Um método moderno realizado em condições de vácuo,
- Permite a modelagem precisa da camada de difusão,
- Utilizado na produção de peças com geometrias complexas e requisitos de precisão.
Outros tipos de impregnação por difusão
Além da carburação, nitretação e carbonitretação, vários outros processos de tratamento termoquímico envolvem a impregnação da superfície metálica com vários elementos para obter propriedades especializadas, tais como resistência a altas temperaturas, à corrosão, à erosão ou à oxidação.
Cada um destes processos permite que a camada superficial seja adaptada a condições de funcionamento muito específicas, nas quais os métodos padrão (tais como o endurecimento) se revelam insuficientes. A sua utilização aumenta frequentemente a vida útil e a fiabilidade de componentes essenciais em equipamentos que operam em ambientes extremos. Os mais importantes são apresentados abaixo:
Cromagem por difusão
Envolve a saturação da superfície metálica com crómio a alta temperatura (900 °C a 1100 °C). É realizada numa atmosfera gasosa (por exemplo, cloretos de crómio) ou em banhos de pó.
O cromagem por difusão cria uma camada de crometo de ferro, que é caracterizada por:
- muito boa resistência à corrosão e oxidação,
- dureza e resistência à abrasão,
- resistência a gases e produtos químicos agressivos.
Utilizado nas indústrias química, petroquímica e energética (por exemplo, tubos de caldeiras, válvulas, componentes de reatores).
Aluminização (aluminação)
Um processo de saturação de uma superfície com alumínio, geralmente a uma temperatura de 800 °C a 1050 °C. Leva à formação de compostos intermetálicos FeAl ou Fe₃Al. As suas principais vantagens incluem:
- alta resistência à oxidação em altas temperaturas,
- proteção contra erosão por gases e escórias metalúrgicas,
- melhor resistência à corrosão sob a influência de enxofre e cloretos.
Utilizado em turbinas, permutadores de calor, caldeiras e motores a jato.
Boronização (boragem)
A boronização é um tratamento de superfície que envolve a difusão de boro na estrutura do metal. A boronização resulta na formação de boretos duros, tais como FeB, Fe₂B, com uma dureza de camada de até 1800 HV a 2000 HV. A boronização é caracterizada por:
- excelente resistência à abrasão,
- resistência a ácidos, álcalis e salmouras,
- fragilidade, o que limita a sua utilização em componentes dinâmicos.
Utilizada para: ferramentas de corte, moldes, matrizes e elementos de fricção.
Siliconização
A siliconização envolve a saturação da superfície com silício a uma temperatura de aproximadamente 1000 °C. Isso resulta na formação de silicetos de ferro, que proporcionam resistência à oxidação e à corrosão por altas temperaturas, bem como maior dureza e resistência à fadiga. Utilizado em metalurgia, em componentes expostos a altas temperaturas e ao contacto com escórias.
Tratamento térmico e químico de metais – resumo
O tratamento térmico e químico está entre as ferramentas mais importantes da engenharia de materiais, permitindo a modificação direcionada das propriedades da superfície dos metais sem afetar a sua estrutura interna. Graças a processos como carburação, nitretação, carbonitretação e cromagem, é possível obter uma combinação de alta dureza superficial, ductilidade e resistência do núcleo.
Estes tratamentos aumentam a resistência ao desgaste, à corrosão, à fadiga e às altas temperaturas, o que se traduz diretamente em uma vida útil mais longa para os componentes de máquinas e equipamentos. A seleção habilidosa do tipo de processo, dos parâmetros térmicos e do material de partida permite que os engenheiros otimizem os projetos para as condições reais de operação.
A indústria moderna não pode funcionar sem métodos precisos de modificação de superfícies – é por isso que o tratamento termoquímico continua a ser não só uma questão científica importante, mas acima de tudo uma ferramenta prática para construir a durabilidade, fiabilidade e segurança das estruturas técnicas.
