Como você endurece o aço? Métodos, etapas e dicas

O que o endurecimento de caixa realmente faz com o aço

O endurecimento da caixa é um processo de tratamento térmico que endurece a superfície externa de uma peça de aço, mantendo o núcleo interno resistente e dúctil. O resultado é um componente que resiste ao desgaste e à fadiga superficial por fora, mas pode absorver choques e tensões sem rachar por dentro. Essa combinação é exatamente o que os componentes usinados e forjados de aço exigem em aplicações exigentes, como engrenagens, eixos de comando de válvulas, eixos e ferramentas de corte.

A camada externa endurecida - chamada de "caso" - normalmente varia de 0,1 mm a mais de 3 mm de profundidade , dependendo do método utilizado e do tempo de exposição. O núcleo permanece relativamente macio, geralmente entre 20–40 HRC, enquanto o case pode atingir 58–65 HRC em processos bem controlados. Esta estrutura de zona dupla não é alcançável apenas através do endurecimento, tornando o endurecimento uma técnica distinta e altamente prática no forjamento e fabricação de aço.

Vale a pena entender que nem todos os aços respondem igualmente ao endurecimento. Os aços de baixo carbono (0,1% –0,3% de carbono) são os mais comumente endurecidos porque seus núcleos permanecem dúcteis após o tratamento. Os aços de médio carbono também podem ser tratados, mas os aços de alto carbono são geralmente endurecidos, uma vez que seus núcleos já são capazes de atingir alta dureza.

Os principais métodos usados para endurecer o aço

Existem vários métodos estabelecidos para endurecimento de aço, cada um adequado para diferentes materiais, requisitos de profundidade de camada e ambientes de produção. A escolha do aço certo depende da liga de aço base, da dureza superficial desejada, das tolerâncias dimensionais e do equipamento disponível.

Carburização

A cementação é o método de endurecimento mais amplamente utilizado para componentes forjados de aço. O processo envolve a exposição do aço com baixo teor de carbono a um ambiente rico em carbono a altas temperaturas - normalmente 850°C a 950°C (1560°F a 1740°F) — tempo suficiente para que o carbono se difunda na superfície. Uma vez absorvido carbono suficiente, a peça é temperada para travar na caixa endurecida.

Existem três variantes comuns de cementação:

• Cementação a gás: A peça é colocada em um forno com atmosfera de gás contendo carbono, geralmente gás endotérmico enriquecido com gás natural ou propano. Este é o método mais controlável e escalável, amplamente utilizado nas indústrias automotiva e de forjamento de aço.
• Carburização de pacote: A peça de aço é embalada em um recipiente com material carbonáceo sólido (como carvão misturado com carbonato de bário) e aquecida por várias horas. Este é um método de baixa tecnologia ainda utilizado em pequenas oficinas ou para formas irregulares.
• Cementação líquida (banho de sal): A peça é imersa num banho de sal fundido à base de cianeto. É rápido e eficaz, mas envolve produtos químicos perigosos, por isso seu uso diminuiu devido a questões ambientais e de segurança.

Um ciclo típico de cementação a gás para alcançar um Profundidade da caixa de 1 mm em um aço de baixo carbono como o AISI 8620 leva cerca de 8 a 10 horas a 930°C. Após a cementação, a peça é temperada em óleo ou água e depois revenida a 150°C–200°C para aliviar as tensões de têmpera enquanto mantém a dureza superficial acima de 60 HRC.

Nitretação

A nitretação introduz nitrogênio na superfície do aço em vez de carbono. Opera em temperaturas significativamente mais baixas - 480°C a 590°C (900°F a 1095°F) — o que significa que a distorção é mínima e não é necessária nenhuma extinção. Isto torna a nitretação particularmente adequada para componentes de precisão e peças acabadas onde a precisão dimensional é crítica.

O caso resultante é mais superficial do que a cementação (normalmente 0,1 mm a 0,6 mm ), mas os valores de dureza superficial podem exceder Equivalente a 70 HRC (1100 HV) em ligas de aço contendo elementos formadores de nitreto como cromo, molibdênio, alumínio e vanádio. Os graus comuns de nitretação incluem AISI 4140, 4340 e aços nitrligados.

A nitretação a gás utiliza amônia dissociada em uma fornalha. A nitretação por plasma (íon) usa uma descarga elétrica incandescente para introduzir nitrogênio e pode tratar geometrias complexas de maneira mais uniforme. A nitretação em banho de sal (nitrocarbonetação ferrítica) é mais rápida e melhora a resistência ao desgaste e à corrosão.

Endurecimento por indução

O endurecimento por indução não envolve difusão química. Em vez disso, utiliza indução eletromagnética para aquecer rapidamente a superfície de uma peça de aço acima da temperatura de austenitização, seguida de têmpera imediata. O processo é extremamente rápido – o aquecimento da superfície pode ocorrer em 1 a 10 segundos — e produz um revestimento martensítico duro sem afetar o núcleo.

Este método requer aços de médio carbono (0,35% a 0,55% de carbono) ou aços-liga que já possuem carbono suficiente para formar martensita após a têmpera. É comumente usado para eixos, engrenagens, virabrequins e componentes ferroviários nos setores automotivo e de forjamento de aço. As profundidades do caso normalmente variam de 1 mm a 6 mm dependendo da frequência utilizada e do tempo de aquecimento.

Frequências de indução mais altas produzem casos mais superficiais; frequências mais baixas penetram mais profundamente. Uma frequência de 10 kHz pode atingir um case de 3–5 mm, enquanto uma frequência de 200 kHz pode atingir apenas 0,5–1 mm. A dureza normalmente atinge 55–62 HRC em aços devidamente selecionados.

Endurecimento por chama

O endurecimento por chama usa uma chama direta de oxi-acetileno ou oxi-propano para aquecer rapidamente a superfície do aço, seguida de têmpera com água. É um dos métodos mais antigos de endurecimento seletivo de superfície e não requer equipamento de forno especializado. A técnica funciona em aços de médio carbono e ligas e é frequentemente aplicada a peças grandes ou pesadas – como peças forjadas de grande porte, guias de máquinas e rodas dentadas – que não cabem facilmente em fornos ou bobinas de indução.

As profundidades da caixa com endurecimento por chama variam amplamente de 1,5 mm a 6 mm , e valores de dureza de 50–60 HRC são alcançáveis. No entanto, o processo é menos controlável do que o endurecimento por indução, e alcançar uma profundidade de camada consistente em formatos complexos requer operadores qualificados.

Cianetação e Carbonitretação

A carbonitretação introduz simultaneamente carbono e nitrogênio na superfície do aço em temperaturas de 700°C a 900°C . Muitas vezes é considerado um híbrido de cementação e nitretação. A presença de nitrogênio reduz a severidade de têmpera necessária, reduz a distorção e melhora a temperabilidade. As profundidades das caixas são geralmente mais rasas do que a cementação completa - 0,07 mm a 0,75 mm — e é amplamente utilizado para peças de seção fina, fixadores e engrenagens pequenas.

A cianetação utiliza um banho líquido de cianeto de sódio para introduzir carbono e nitrogênio simultaneamente. Embora eficaz e rápido, a natureza tóxica dos sais de cianeto tornou este método obsoleto na maioria dos países devido a regulamentações ambientais.

Processoo passo a passo para cementação de aço em casa ou em uma loja

Para aqueles que trabalham fora de um ambiente industrial – em uma ferraria, pequena oficina mecânica ou forja doméstica – a cementação de embalagens é o método mais acessível. Aqui está um passo a passo prático do processo.

1. Selecione o aço certo. Use um aço de baixo carbono, como 1018, 1020 ou A36. Os aços com alto teor de carbono não se beneficiam da cementação da mesma maneira. Tarugos forjados de aço feitos de classes de baixo carbono são materiais de partida comuns.
2. Limpe bem a peça. Remova todo óleo, incrustações, ferrugem e contaminação da superfície. Os contaminantes atuam como barreiras à difusão do carbono e criam profundidades irregulares.
3. Prepare o composto de cementação. Misture carvão vegetal de madeira dura (triturado em pedaços de 6–12 mm) com um energizador de carbonato – carbonato de bário a 10–20% em peso é tradicional, embora o carbonato de cálcio (pó de calcário) funcione como uma alternativa mais segura. O carbonato reage com o monóxido de carbono no recipiente para produzir CO₂, que volta a ser CO e mantém a atmosfera rica em carbono.
4. Embale o recipiente. Coloque a peça dentro de uma caixa metálica ou recipiente lacrado (ferro fundido ou aço grosso). Coloque o composto de carvão ao redor da peça, garantindo pelo menos 25 mm de composto em todos os lados. Sele a tampa com cimento refratário ou argila refratária para minimizar o escape de gás.
5. Aqueça em uma fornalha. Coloque o recipiente embalado em uma fornalha e leve-o para 900°C–950°C (1650°F–1740°F) . Mantenha esta temperatura durante o tempo de imersão necessário. Como orientação aproximada, 1 hora a 900°C produz aproximadamente 0,25 mm de profundidade da caixa; 8 horas produzem aproximadamente 1 mm.
6. Apague a peça. Retire a peça da caixa ainda quente e tempere imediatamente em óleo (óleo de motor ou óleo de têmpera). A têmpera com água é mais rápida, mas aumenta o risco de rachaduras. A têmpera em óleo é adequada para a maioria dos aços de baixo carbono e produz uma dureza de caixa de 58–63 HRC.
7. Tempere após a têmpera. Reaqueça a peça a 150°C–200°C (300°F–390°F) por 1–2 horas para aliviar o estresse interno causado pela têmpera. Isso reduz a fragilidade enquanto mantém a dureza da superfície. Pular esta etapa corre o risco de microfissuras.

Um teste de campo comumente usado para a dureza da caixa é o teste de lima: uma lima nova e afiada deve deslizar para fora da superfície sem cortar se a caixa estiver totalmente endurecida. Para medições mais precisas, testes de dureza Rockwell (escala HRC) ou testes de microdureza Vickers em uma seção transversal são abordagens padrão.

Comparando métodos de endurecimento de caixa: uma visão geral prática

A tabela abaixo resume as principais diferenças entre os métodos de endurecimento de caixa mais comuns para ajudar na seleção do processo certo para uma determinada aplicação.

Classes de aço mais adequadas para endurecimento de caixa

Nem todo tipo de aço responde ao endurecimento da caixa da mesma maneira. A escolha do material de base afeta significativamente a profundidade alcançável do revestimento, a tenacidade do núcleo e a estabilidade dimensional após o tratamento. Em aplicações de forjamento de aço, combinar a classe correta com o processo de endurecimento é fundamental para o desempenho da peça.

Aços de baixo carbono para cementação

• AISI 1018/1020: A escolha mais comum e econômica. Usado para eixos, pinos e componentes forjados de aço em geral onde a resistência ao desgaste superficial é necessária, mas o custo deve ser controlado. Fácil de usinar antes do tratamento.
• AISI8620: Aço de liga de níquel-cromo-molibdênio amplamente utilizado na produção de engrenagens e eixos. Ele carburiza de forma confiável e oferece excelente tenacidade do núcleo após o tratamento térmico, tornando-o uma classe de referência para forjamento de aço de componentes do sistema de transmissão.
• AISI 9310: Usado em aplicações aeroespaciais de alto desempenho e engrenagens pesadas. Oferece excepcional resistência do núcleo e temperabilidade devido ao alto teor de níquel.
• AISI 4118/4320: Classes de cromo-molibdênio com boa temperabilidade. Usado em engrenagens de transmissão e peças forjadas que exigem profundidades de caixa mais profundas e melhor resistência à fadiga.

Aços Liga para Nitretação

• AISI4140: Um aço cromo-molibdênio versátil que responde bem à nitretação a gás. Freqüentemente usado para porta-ferramentas, fusos e eixos de precisão em equipamentos de forjamento de aço.
• AISI4340: Aço de liga de níquel-cromo-molibdênio de alta resistência. Após a nitretação, atinge uma excelente combinação de dureza superficial e tenacidade do núcleo. Comum em peças forjadas aeroespaciais e componentes estruturais.
• Nitralloy 135M: Desenvolvido especificamente para nitretação, contendo alumínio como elemento formador de nitreto. Produz alguns dos mais altos valores de dureza superficial alcançáveis ​​através da nitretação, muitas vezes excedendo 1000 HV.

Aços de médio carbono para indução e endurecimento por chama

• AISI 1045: Um aço de médio carbono amplamente utilizado para endurecimento por indução. Comum em eixos, eixos e peças forjadas de implementos agrícolas. Atinge 55–60 HRC na superfície após tratamento de indução.
• AISI 4140/4340: Também adequado para endurecimento por indução quando temperado em altas temperaturas de superfície. Usado em pinos de manivela, forjamentos de colares de perfuração e componentes de engenharia pesada.
• AISI 1060/1080: O maior teor de carbono os torna adequados para aplicações em trilhos e molas, onde o endurecimento por chama é praticado em superfícies de contato de alto desgaste.

Como o Case Hardening interage com o Forjamento de Aço Process

Na fabricação industrial, o endurecimento é quase sempre uma operação pós-forjamento. O forjamento de aço - seja em matriz aberta, fechada (matriz de impressão) ou forjamento em rolo - refina a estrutura dos grãos do aço e alinha o fluxo dos grãos com a geometria da peça. Este refinamento de grão melhora as propriedades mecânicas do aço antes da aplicação de qualquer tratamento térmico.

Após o forjamento do aço, as peças são normalmente normalizadas ou recozidas para aliviar as tensões de forjamento e, em seguida, usinadas em desbaste até as dimensões quase finais. O endurecimento da caixa é aplicado nesta fase. A sequência é importante: se uma peça for usinada antes do endurecimento, o processo de endurecimento pode causar pequenas alterações dimensionais (distorção) que empurram a peça para fora da tolerância. A maioria dos fabricantes deixa a retificação ou a usinagem de acabamento como a etapa final após o endurecimento.

Na cementação de peças forjadas, a estrutura de grão fino produzida durante o forjamento do aço ajuda a limitar a variabilidade da difusão do carbono e suporta uma profundidade de camada mais uniforme em geometrias complexas. Forjados com estrutura de grão apertado também apresentam melhor resistência à fadiga na zona de transição caso-núcleo, que é onde as trincas por fadiga geralmente iniciam sob carregamento cíclico.

Por exemplo, engrenagens de transmissão automotiva produzidas através de forjamento de aço com matriz fechada em aço 8620 são rotineiramente carburadas a uma profundidade de caixa de 0,8–1,2 mm , temperado, revenido e depois acabado. Esta combinação de forjamento e cementação produz componentes capazes de suportar tensões de contato superiores a 1500 MPa ao longo de milhões de ciclos de carregamento — desempenho que nenhum processo sozinho poderia alcançar.

Controlando a profundidade da caixa e a consistência da dureza

Um dos problemas mais comuns no endurecimento da camada é a profundidade inconsistente da camada. Isso pode causar fadiga superficial prematura, lascas ou rachaduras em serviço. Diversas variáveis ​​governam a consistência da profundidade do caso, e controlá-las é o que separa o tratamento térmico de qualidade das práticas inadequadas.

Uniformidade de temperatura no forno

Os gradientes de temperatura dentro de um forno se traduzem diretamente na variação da profundidade da caixa ao longo de um lote. Um lote de engrenagens processadas em um forno com Variação de temperatura de ±15°C verá diferenças de profundidade da caixa de 10 a 15% em toda a carga. Os fornos industriais de cementação a gás são normalmente especificados para manter Uniformidade de ±5°C em toda a zona de trabalho. A calibração de termopares e a qualificação do forno (de acordo com padrões como AMS 2750 ou CQI-9) são práticas padrão em instalações de tratamento térmico com qualidade controlada.

Controle do potencial de carbono na cementação a gás

Na cementação a gás, o potencial de carbono da atmosfera do forno deve ser cuidadosamente regulado. Um potencial de carbono muito alto causa a formação de redes superficiais de carboneto – carbonetos de ferro frágeis e semelhantes a placas nos limites dos grãos que reduzem significativamente a vida em fadiga. Um potencial de carbono muito baixo resulta em carbono superficial insuficiente e em um case inadequadamente rígido. A maioria dos sistemas de fornos utiliza sondas de oxigênio (sondas de calço ou sondas lambda) para monitorar e ajustar continuamente o potencial de carbono, visando 0,8%–1,0% de carbono superficial para a maioria das aplicações de engrenagens e eixos.

Gravidade de têmpera e projeto de fixação

A têmpera não uniforme é outra causa importante de distorção e dureza inconsistente. Peças que entram na têmpera em diferentes orientações, ou onde o meio de têmpera flui de forma desigual ao redor da peça, irão resfriar em taxas diferentes e produzir microestruturas diferentes em zonas diferentes. Acessórios adequadamente projetados seguram as peças com segurança durante a têmpera e permitem acesso consistente do meio de têmpera a todas as superfícies. A temperatura do óleo durante a têmpera é normalmente mantida em 40°C–80°C (100°F–175°F) para a maioria das aplicações de forjamento de aço – o óleo frio tem uma têmpera muito severa, o óleo quente tem uma têmpera muito lenta.

Inspeção Pós-Tratamento

A verificação dos resultados do endurecimento do case é feita através de testes destrutivos e não destrutivos. Os testes destrutivos envolvem o corte de uma seção transversal de um cupom de amostra processado com o lote de produção e, em seguida, a medição da dureza em profundidades incrementais usando um testador de microdureza Vickers para gerar um perfil de dureza. A profundidade efetiva da camada é definida como a profundidade na qual a dureza cai para 550 HV (aproximadamente 52 HRC) de acordo com a ISO 2639. Os métodos não destrutivos incluem análise de ruído magnético de Barkhausen e testes de correntes parasitas, que podem detectar anomalias de profundidade da caixa e dureza superficial sem cortar a peça.

Erros comuns no endurecimento de caixas e como evitá-los

A maioria das falhas de proteção de caso em campo pode ser atribuída a um pequeno número de erros evitáveis. Reconhecer esses erros antecipadamente – seja trabalhando em uma oficina de produção ou em uma pequena forja – evita retrabalhos dispendiosos e rejeição de peças.

• Material base errado: A tentativa de cementar aço com alto teor de carbono traz poucos benefícios e pode produzir redes de metal duro frágeis. Sempre confirme o teor de carbono do aço base antes de selecionar um método de endurecimento.
• Ignorando o temperamento: O aço temperado sem revenido está sob enorme estresse interno. As peças podem rachar horas após a têmpera se não forem temperadas imediatamente. Sempre tempere algumas horas após a têmpera, mesmo que seja apenas uma hora de imersão a 160°C.
• Aquecimento irregular antes da têmpera: Uma peça que não esteja a uma temperatura de austenitização uniforme quando temperada terá uma microestrutura não uniforme. Garanta um tempo de imersão adequado na temperatura de processamento antes da têmpera. Seções finas podem precisar apenas de 15 a 20 minutos de imersão; forjamentos grossos podem exigir uma hora ou mais.
• Contaminação de superfície: Óleo, graxa ou oxidação na superfície da peça antes da cementação criam zonas mortas onde o carbono não consegue se difundir. As peças devem ser desengraxadas e levemente jateadas ou limpas antes do processamento.
• Caso subdimensionado para a aplicação: Uma caixa fina (0,2 mm) em uma engrenagem fortemente carregada romperá sob tensão de contato, expondo o núcleo macio e causando desgaste rápido ou corrosão. Combine a especificação de profundidade da caixa com a pressão de contato e a carga que o componente verá em serviço.
• Sobrecarburação: O tempo excessivo ou potencial de carbono produz uma camada branca espessa e quebradiça de austenita e carbonetos retidos na superfície. Esta camada pode descamar, reduzindo drasticamente a resistência à fadiga em vez de melhorá-la.

Aplicações onde componentes de forjamento de aço endurecido são padrão

O endurecimento da caixa não é um tratamento de nicho. Ele está incorporado em processos de produção padrão em muitas indústrias que dependem do forjamento de aço para componentes estruturais e mecânicos.

• Transmissões e diferenciais automotivos: As coroas, pinhões e engrenagens solares em transmissões automáticas são forjadas em aço 8620 ou 4320 e carburadas em profundidades de caixa de 0,9–1,4 mm. A combinação de dureza superficial e tenacidade do núcleo lida com o estresse de contato repetido e a carga de choque dos trens de força dos veículos ao longo de centenas de milhares de quilômetros.
• Forjados estruturais aeroespaciais: Os componentes do trem de pouso, os eixos do atuador e os mancais das aeronaves são geralmente feitos de aço 4340, nitretado ou carburado para fornecer resistência ao desgaste, mantendo a alta resistência e tenacidade exigidas pelas especificações aeroespaciais, como AMS 6415.
• Equipamentos de mineração e construção: Os pinos da esteira, as buchas, os dentes da caçamba e os pinos da lança da escavadeira são forjados em ligas de aço e endurecidos para resistir ao desgaste abrasivo causado pelo contato com a rocha e o solo. Profundidades de caixa de 2 a 4 mm são comuns nessas aplicações para proporcionar durabilidade sob condições extremamente adversas.
• Virabrequins e árvores de cames: Virabrequins automotivos, muitas vezes forjados em aço 1045 ou microligados, são endurecidos por indução nas superfícies do munhão para atingir dureza superficial localizada enquanto o restante do eixo mantém a tenacidade. A dureza do munhão de 55–60 HRC prolonga significativamente a vida útil do rolamento em comparação com superfícies não tratadas.
• Ferramentas manuais e ferramentas de corte: Cinzéis, punções e matrizes feitos de aço 1020 podem ser carburados em casa para produzir uma aresta de corte dura. Esta é uma das aplicações mais antigas de endurecimento e permanece relevante para ferreiros e fabricantes de ferramentas que trabalham fora de ambientes industriais.