Os componentes das máquinas estão sujeitos a desgaste, fadiga e corrosão, o que leva à redução do desempenho e à vida útil mais curta.
Se não forem resolvidos, esses problemas resultam em tempo de inatividade não planejado, reparos caros e produtividade reduzida. As consequências podem ser severas para indústrias que dependem muito de máquinas.
O endurecimento superficial é uma técnica comprovada que aumenta a durabilidade e a longevidade de componentes críticos de máquinas, minimizando o desgaste e mantendo a tenacidade do material do núcleo.
O que é endurecimento de superfície
Endurecimento de superfície é uma classe de técnicas de tratamento de materiais que melhoram a durabilidade e o desempenho de componentes metálicos aumentando a dureza da superfície externa enquanto mantém um núcleo relativamente macio. Este tratamento otimiza as propriedades do material criando um gradiente de dureza dentro de um único componente para atender a diferentes requisitos funcionais. É tipicamente aplicado como um dos estágios finais no processo de fabricação.
O processo foca no endurecimento da camada externa de um material, particularmente aço, para resistir efetivamente ao desgaste. Ao mesmo tempo, a camada interna mais dúctil fornece a necessária tenacidade e resistência ao impacto. Ao endurecer seletivamente apenas a superfície, os componentes podem se beneficiar de maior resistência ao desgaste sem comprometer a resistência e tenacidade geral da peça.
O princípio básico por trás do endurecimento da superfície envolve alterar a microestrutura e a composição da superfície do material por meio de vários métodos, como tratamento térmico, modificação química ou deformação mecânica. Essas técnicas geralmente envolvem o aquecimento da superfície a uma faixa de temperatura específica, seguido por resfriamento rápido ou têmpera para transformar a camada externa em uma fase mais dura e resistente ao desgaste, preservando o núcleo mais macio e dúctil.
Métodos comuns de endurecimento de superfícies
Carburação
- Pacote de cementação: Este processo envolve colocar a peça em um recipiente de aço cheio de um composto rico em carbono, como carvão vegetal ou coque, junto com carbonatos que servem como ativadores. O recipiente é aquecido a temperaturas entre 925°C e 955°C, promovendo a liberação de monóxido de carbono, que se difunde na superfície do aço.
- Cementação a gás: Neste método, a peça é aquecida em um forno contendo um gás rico em carbono, como monóxido de carbono, dióxido de carbono, metano ou propano. A cementação a gás permite melhor controle do potencial de carbono e é frequentemente usada para produção contínua em larga escala.
- Cementação líquida: Esta técnica requer a submersão da peça em um banho de sais fundidos ricos em carbono, como cianeto de sódio, cianeto de bário ou cianeto de cálcio, a temperaturas que variam de 815 °C a 980 °C. A cementação líquida introduz carbono e nitrogênio na superfície, aumentando ainda mais a dureza, e é tipicamente mais rápida do que outros métodos de cementação. No entanto, é geralmente usada para pequenos lotes e envolve sais de cianeto altamente tóxicos.
- Carburação a vácuo: Este processo avançado utiliza hidrocarbonetos em um forno a vácuo a temperaturas entre 815°C e 1090°C, permitindo o controle preciso do processo de difusão e dos ciclos de cementação. A cementação a vácuo normalmente resulta em um endurecimento de camada uniforme e de alta qualidade com uma profundidade de camada cementada entre 75 μm e 1.5 mm e uma dureza de superfície de 50-63 HRC.
Nitretação
- Nitretação gasosa: Neste processo, a superfície do metal é endurecida a temperaturas entre 480°C e 590°C em uma atmosfera de amônia. A duração do processo determina a profundidade da reductores, e é particularmente adequado para melhorar a resistência à fadiga e a precisão.
- Nitretação em banho de sal:O material é imerso em um banho líquido contendo um sal à base de nitrogênio, geralmente um sal de cianeto, que também introduz carbono (nitrocarbonetação), a temperaturas entre 510°C e 570°C.
- Nitretação de plasma: Também conhecido como nitretação iônica, esse método usa um campo elétrico para ionizar nitrogênio em temperaturas entre 340°C e 565°C. A nitretação a plasma permite o controle preciso da microestrutura de nitretação e pode ser realizada com ou sem a formação de uma camada composta.
Carbonitretação
- Carbonitretação de gás: Este processo é realizado em um forno com uma atmosfera gasosa de amônia misturada com hidrocarbonetos a temperaturas entre 760°C e 870°C. A carbonitretação gasosa é bem adequada para produção em massa de pequenos componentes.
- Carbonitretação líquida: Também conhecido como cianeto, esse método utiliza um banho de sal de cianeto para introduzir carbono e nitrogênio. É um processo rápido e eficaz que produz uma casca fina e dura (0.254-0.762 mm) que é mais dura do que a obtida pela cementação.
- Nitrocarbonetação ferrítica: Realizado em temperaturas mais baixas (565-675 °C), onde a microestrutura do aço permanece ferrita, esse processo minimiza a deformação e produz uma camada endurecida muito fina (2.5-25 mícrons) com dureza menor (40-60 HRC).
Endurecimento de transformação
- Endurecimento por indução: Este método utiliza indução eletromagnética para aquecer rapidamente a superfície do metal usando bobinas de cobre especialmente projetadas que transportam corrente alternada. A área aquecida é então imediatamente temperada com água, óleo ou um líquido à base de polímero para formar martensita. O endurecimento por indução fornece um efeito de endurecimento localizado, permitindo que áreas específicas de uma peça endureçam enquanto o resto permanece macio e resistente.
- Extinção de chama: Neste processo, a superfície do metal é aquecida até sua temperatura de austenitização usando uma chama direta (geralmente de um maçarico de oxiacetileno ou oxipropano) seguida de têmpera rápida, normalmente em água. A têmpera por chama é um método relativamente simples para endurecer aços de alto carbono (geralmente 0.4-0.6% de carbono), obtendo camadas temperadas entre 0.1 mm e 6 mm de espessura e produzindo cascas de até 1/4 de polegada de profundidade.
Endurecimento a laser
O endurecimento a laser é um processo de tratamento térmico que usa um feixe de laser de alta potência para aquecer rapidamente a camada superficial de um material metálico acima de sua temperatura crítica. Isso forma martensita dura durante a têmpera subsequente, que geralmente ocorre por autotêmpera devido à condução de calor para o material mais frio. Não ocorre derretimento durante o endurecimento a laser.
Endurecimento por precipitação
O endurecimento por precipitação aumenta a resistência de uma liga criando uma solução sólida supersaturada e induzindo a precipitação de partículas finas dentro da matriz. Esse processo é tipicamente usado para ligas de alumínio, níquel e titânio.
Peening de tiro
Shot peening é um método mecânico de endurecimento de superfície que envolve bombardear uma superfície com partículas pequenas e duras para induzir tensões residuais compressivas, melhorando assim a resistência à fadiga. O processo é comumente usado para molas, engrenagens e outros componentes sujeitos a carga cíclica.
Trabalho a frio
Trabalho a frio é outro método mecânico que endurece a superfície por deformação plástica a uma temperatura abaixo da temperatura de recristalização do material. Este processo aumenta a densidade de deslocamento e o refinamento do grão, levando a dureza e resistência melhoradas.
Materiais comumente submetidos ao endurecimento da superfície
- Aço de baixo carbono (aço macio): Aços de baixo carbono, contendo 0.05% a 0.3% de carbono, são particularmente adequados para processos de endurecimento de superfície como cementação e nitretação. O baixo teor de carbono permite que o material mantenha um núcleo macio e dúctil enquanto a superfície é endurecida.
- Aço carbono médio: Aços com teor de carbono variando de 0.3% a 0.6% são considerados aços de médio carbono. Os níveis mais altos de carbono fornecem conteúdo suficiente para endurecimento por transformação de fase, tornando esses aços candidatos adequados para tratamentos de endurecimento por indução e endurecimento por chama.
- liga de aço: Aços de liga contêm elementos de liga adicionais além do carbono, como cromo, níquel ou molibdênio. Esses aços podem ter a superfície endurecida usando vários métodos, incluindo cementação, nitretação, endurecimento por indução e endurecimento a laser. Os elementos de liga específicos influenciam a temperabilidade do aço e a resposta a diferentes técnicas de endurecimento de superfície.
- Aço inoxidável: Tanto os graus austeníticos quanto os martensíticos de aço inoxidável podem se beneficiar do endurecimento da superfície. Nitretação, carbonitretação e endurecimento por indução são métodos comumente empregados para aumentar a dureza da superfície e a resistência ao desgaste dos aços inoxidáveis, preservando suas propriedades de resistência à corrosão.
- Ferro fundido: Diferentes tipos de ferro fundido, como ferro cinzento e ferro dúctil, podem ter a superfície endurecida para melhorar sua resistência ao desgaste e durabilidade. Carburação, nitretação por banho de sal e têmpera por indução são opções de tratamento viáveis para componentes de ferro fundido.
- Alumínio: Embora não seja tão comum quanto o endurecimento de superfície de materiais ferrosos, o alumínio pode ser submetido a tratamentos de nitretação. Além disso, certas ligas de alumínio são passíveis de endurecimento por indução, melhorando suas propriedades de superfície para aplicações específicas.
- Titânio: O titânio e suas ligas podem sofrer endurecimento superficial por meio de nitretação, que introduz nitrogênio na camada superficial. Endurecimento por indução e endurecimento a laser também são métodos de endurecimento superficial aplicáveis para ligas de titânio, dependendo dos requisitos específicos.
- Vanádio: O vanádio, frequentemente usado como um elemento de liga em aços, pode ter sua superfície endurecida por meio de processos de nitretação. A nitretação de aços contendo vanádio resulta na formação de precipitados duros de nitreto de vanádio, contribuindo para o aumento da dureza da superfície e da resistência ao desgaste.
