Métodos de Endurecimento Superficial para Aço

O que significa endurecimento superficial na metalurgia do aço

O endurecimento superficial não corresponde a um único ciclo de forno, grau de liga ou microestrutura. A ASM International o define como o tratamento de um material ferroso “para que sua camada superficial, ou camada endurecida, se torne substancialmente mais dura que o núcleo”. Essa definição é deliberadamente ampla. Ela descreve o resultado — uma diferença de dureza entre a superfície e o interior —, e não um método específico para produzi-lo.

Essa distinção é importante porque os componentes de aço frequentemente precisam apresentar duas propriedades aparentemente conflitantes. Suas superfícies de trabalho devem resistir à indentação, ao desgaste adesivo, ao desgaste abrasivo e à fadiga de contato, enquanto o interior deve absorver impactos e tolerar flexão sem fratura súbita. Uma superfície dura sobre um núcleo mais tenaz pode atender a ambos os requisitos com mais eficiência do que uma seção uniformemente endurecida. Engrenagens, cames, eixos, pinos e componentes de rolamentos normalmente dependem dessa separação de funções.

O processo selecionado determina como a diferença de dureza será criada. Alguns tratamentos alteram a composição química da superfície por difusão. Outros mantêm a composição original e transformam apenas uma região próxima à superfície por meio de aquecimento e resfriamento rápidos e localizados. A profundidade da camada, as fases, as tensões residuais, a distorção e o método de verificação resultantes podem diferir substancialmente.

Camada endurecida, núcleo e gradiente de dureza

A camada endurecida é a região superficial tratada cuja dureza e microestrutura diferem das do interior. O núcleo é o material situado abaixo dessa região. “Núcleo” não significa necessariamente macio ou não endurecido: um aço de baixo carbono para cementação pode manter um interior relativamente tenaz, de martensita de baixo carbono ou de martensita revenida, após a têmpera, enquanto um aço-liga nitretado pode ter um núcleo tratado termicamente que já é resistente antes da nitretação.

Gradiente de durezaGradiente de dureza Variação gradual da dureza desde a superfície tratada em direção ao núcleo não afetado, em vez de uma fronteira abrupta.

Entre a superfície e o núcleo, geralmente há um gradiente de dureza, e não uma fronteira abrupta. Um componente cementado pode apresentar alto teor de carbono na superfície, martensita nas regiões externas, austenita retida e carbonetos, com a dureza diminuindo à medida que a concentração de carbono se reduz em direção à composição original. Um componente nitretado pode conter uma fina camada de compostos de nitretos de ferro sobre uma zona de difusão de nitrogênio, seguida pelo núcleo não afetado. Um componente endurecido por indução pode apresentar martensita na superfície, uma região de transição parcialmente transformada e a estrutura original revenida abaixo dela.

Consequentemente, a “profundidade da camada” deve estar associada a uma regra de medição especificada. A profundidade efetiva da camada normalmente é a distância entre a superfície e um limite de dureza especificado, medida ao longo de um perfil definido. Para aço cementado e endurecido, a ISO 2639:2002 fornece um método para determinar e verificar a profundidade da camada; sua aplicabilidade utiliza a condição de que a dureza seja inferior a 450 HV 1 a três vezes a profundidade da camada. A escala de dureza, a carga de ensaio, a preparação da superfície, a direção da medição e o local influenciam o valor relatado.

A profundidade total da camada é uma grandeza diferente. Ela se refere à espessura total da camada quimicamente ou estruturalmente alterada, que pode se estender além do ponto utilizado para determinar a profundidade efetiva por dureza. Portanto, o exame metalográfico, os perfis de microdureza, a análise química ou a identificação de fases podem produzir diferentes “profundidades” para a mesma peça. Uma especificação que mencione apenas “profundidade da camada” é incompleta, a menos que identifique a definição e o método de ensaio.

A ISO 18203:2026 trata da medição da espessura de camadas endurecidas superficialmente produzidas por endurecimento por chama, indução, feixe de elétrons e laser, bem como por carbonitretação, cementação e nitretação. Ela reforça um ponto central: a espessura da camada é uma característica medida, e não uma descrição visual de uma superfície escurecida.

Por que a dureza superficial não é a especificação completa

A dureza superficial é útil, mas, por si só, não permite prever o comportamento em serviço. Uma camada rasa pode registrar um alto valor Vickers e ainda assim falhar sob contato hertziano repetido porque o material de suporte é macio demais. Inversamente, uma dureza medida mais baixa pode apresentar bom desempenho quando a camada é suficientemente profunda, tem suporte adequado do núcleo e se encontra sob uma condição favorável de tensão residual.

Dureza relativa

O perfil de dureza deve ser considerado juntamente com a resistência à tração, a tenacidade e o tratamento térmico anterior do núcleo. A microestrutura superficial também é importante. Aços cementados e carbonitretados normalmente desenvolvem martensita após austenitização e têmpera, mas o excesso de austenita retida, carbonetos grosseiros, oxidação ou oxidação intergranular pode alterar a estabilidade dimensional e o desempenho em fadiga. Aços nitretados e nitrocarbonetados podem conter uma camada de compostos e uma zona de difusão cuja espessura, porosidade, equilíbrio de fases e distribuição de nitrogênio afetam o atrito, o desgaste e a corrosão. Essas características não podem ser inferidas a partir de um único número de dureza.

A tensão residual compressiva na superfície pode melhorar a resistência a algumas trincas de fadiga. Limited evidence

A tensão residual é outra especificação independente. A têmpera pode produzir tensões de tração ou de compressão por meio de transformações não uniformes e contração térmica. Os tratamentos de difusão também podem gerar tensões porque os átomos adicionados alteram as dimensões da rede cristalina e porque as camadas de compostos e as zonas de difusão se formam em velocidades diferentes. A tensão residual de compressão próxima à superfície pode contribuir para a resistência à iniciação de trincas, mas tensões excessivas, distorção ou suporte inadequado podem provocar outras falhas. O sinal e a magnitude devem ser medidos ou controlados por meio de um processo validado, e não presumidos com base no nome do tratamento.

A distorção também exige um plano de controle próprio. A temperatura, a espessura da seção, a geometria, a severidade da têmpera, o projeto dos dispositivos de fixação, a composição da liga e o revenimento pós-tratamento influenciam a alteração dimensional. Dois componentes com a mesma profundidade efetiva da camada e a mesma dureza superficial podem apresentar diferentes valores de batimento, erros de perfil de dente ou crescimento do diâmetro do furo. A verificação pode, portanto, exigir perfis de dureza, seções metalográficas, inspeção dimensional, medição de austenita retida e análise de tensões residuais.

Endurecimento termoquímico versus endurecimento térmico superficial

O endurecimento termoquímico altera a composição da superfície pela introdução de carbono, nitrogênio ou ambos. Um manual do U.S. National Bureau of Standards identifica a cementação, a nitretação e a carbonitretação nessa classificação básica. Na cementação, o carbono se difunde em um aço de baixo carbono, criando uma superfície com alto teor de carbono sobre um interior com menor teor de carbono. Em geral, a peça é então austenitizada e temperada para que a superfície enriquecida forme martensita dura. A carbonitretação introduz carbono e nitrogênio na austenita e normalmente produz uma camada endurecida martensítica.

A nitretação segue uma rota metalúrgica diferente. O nitrogênio se difunde em um aço adequado e forma nitretos de liga e nitretos de ferro, normalmente sem o ciclo de austenitização e têmpera típico da cementação. A nitrocarbonetação introduz carbono e nitrogênio na ferrita abaixo da temperatura crítica, produzindo uma camada de compostos e uma zona de difusão subjacente. Por isso, ela deve ser distinguida da carbonitretação, apesar da semelhança entre os nomes. A nitrocarbonetação ferrítica baseia-se no mesmo princípio fundamental.

Outros métodos termoquímicos incluem a cianetação, a boração e a cromização. As espécies que se difundem e os produtos das reações diferem, de modo que seus perfis de dureza, espessuras de camada, limites de temperatura, riscos de distorção e comportamentos de corrosão ou desgaste não podem ser substituídos uns pelos outros de maneira indiscriminada. Estudos de tribologia associam a boração, a cromização, a cementação, a nitretação, a nitrocarbonetação e a carbonitretação a alterações no desgaste, no atrito e na tribocorrosão, mas a direção e a magnitude dessas alterações dependem do grau do aço, do contracorpo, da carga, do ambiente e da estrutura da camada.

O endurecimento térmico superficial não adiciona um elemento endurecedor à superfície. O endurecimento por chama, indução, feixe de elétrons e laser aquece localmente a composição de aço existente acima de uma temperatura de transformação e, em seguida, depende da auto-têmpera rápida ou de um resfriamento controlado para formar martensita. A ISO 18203:2026 abrange esses métodos juntamente com diversos tratamentos termoquímicos. Sua camada é, portanto, uma zona transformada, e não uma camada enriquecida por difusão, embora também ocorram um gradiente de dureza e uma região de transição.

Consequentemente, a escolha prática é uma decisão metalúrgica, e não uma questão de escolher sinônimos. A resistência de contato necessária, a tenacidade do núcleo, a distorção admissível, o perfil desejado, a condição de tensão residual e o método de verificação devem ser compatíveis com o processo. Cementação, nitretação, carbonitretação, nitrocarbonetação e endurecimento térmico localizado podem produzir aço “endurecido superficialmente”, mas não produzem a mesma camada.

Como o Carbono, o Nitrogênio e o Calor Alteram a Superfície

A ASM International define o endurecimento superficial como o tratamento de um material ferroso para que sua camada superficial, ou camada endurecida, se torne substancialmente mais dura que o núcleo. Essa definição descreve um resultado, não um único processo. Uma engrenagem cementada, um eixo nitretado, um pino carbonitretado e um trilho endurecido por indução podem apresentar uma superfície mais dura, mas sua química, fases, perfis de profundidade, tensões e modos de falha são diferentes.

Os tratamentos termoquímicos adicionam carbono, nitrogênio ou ambos à superfície do aço. A cementação adiciona carbono; a nitretação adiciona nitrogênio; a carbonitretação e a nitrocarbonetação adicionam carbono e nitrogênio sob diferentes condições de fase e temperatura. Os métodos térmicos, incluindo o endurecimento por chama, indução, feixe de elétrons e laser abrangidos pela ISO 18203:2026, alteram a composição existente por meio do aquecimento e da transformação da superfície, em vez de fornecerem uma concentração substancialmente nova de átomos intersticiais.

Difusão e gradientes de concentração

O carbono e o nitrogênio entram no aço pela superfície e se deslocam ao longo de gradientes de concentração. Os átomos ocupam sítios intersticiais entre os átomos de ferro, e a taxa de movimentação depende fortemente da temperatura, da estrutura cristalina, do tempo, da composição da liga e do potencial químico na superfície. De forma simplificada, as leis de Fick descrevem o fluxo e o perfil de concentração em transformação: um gradiente acentuado entre a superfície e o núcleo impulsiona uma penetração inicial rápida, enquanto o gradiente se torna menos acentuado à medida que a camada endurecida se desenvolve.

A atmosfera do processo estabelece a condição superficial. Na cementação, a atividade do carbono na atmosfera do forno estabelece uma superfície austenítica de alto teor de carbono sobre um interior de menor teor de carbono. A superfície não adquire instantaneamente uma composição uniforme. Em vez disso, a concentração de carbono geralmente diminui com a distância em relação ao exterior, e a forma desse perfil depende da temperatura, do potencial de carbono, do tempo de exposição e das reações na interface gás–metal. O núcleo permanece próximo de seu teor original de carbono, a menos que o tratamento seja excepcionalmente longo ou que a seção seja pequena.

A carbonitretação introduz carbono e nitrogênio enquanto o aço está no estado austenítico. O nitrogênio pode afetar a transferência de carbono, a temperabilidade, a austenita retida e a precipitação de nitretos de liga. Como o nitrogênio frequentemente se concentra próximo ao exterior, seu perfil pode ser mais acentuado que o perfil do carbono. O resultado não é simplesmente “aço cementado com nitrogênio adicional”.

A nitretação e a nitrocarbonetação ferrítica operam de maneira diferente. Normalmente são realizadas abaixo da temperatura crítica, quando a matriz permanece ferrítica. O carbono e o nitrogênio se difundem através da ferrita, mas a ferrita tem solubilidade de carbono muito menor que a austenita. Por isso, o nitrogênio reage prontamente com o ferro e os elementos de liga, produzindo nitretos ou carbonitretos, enquanto uma fina camada de compostos pode se formar na superfície. Abaixo dela encontra-se uma zona de difusão contendo nitrogênio dissolvido, precipitados ou ambos. A profundidade e as propriedades dessa zona não podem ser inferidas a partir da profundidade de uma camada cementada.

A difusão também explica por que limites nítidos são incomuns. As seções metalográficas normalmente mostram uma mudança gradual de dureza e composição, e não um plano que separe a “camada endurecida” do “núcleo”. A profundidade da camada é, portanto, uma medição especificada com base em um limite de propriedade. A ISO 2639:2002 aplica-se a camadas cementadas e endurecidas e utiliza uma condição de dureza inferior a 450 HV 1 a três vezes a profundidade da camada. A ISO 18203:2026 trata da medição da espessura de camadas produzidas, entre outros métodos, por endurecimento térmico, carbonitretação, cementação e nitretação. O método de medição deve corresponder ao tratamento e à propriedade especificada.

Austenita, ferrita, martensita e camadas de compostos

A austenita é a forma cúbica de face centrada do ferro, estável acima da temperatura crítica pertinente. Ela pode dissolver uma quantidade substancialmente maior de carbono que a ferrita, a forma cúbica de corpo centrado estável em temperaturas mais baixas. Essa diferença controla a distinção central entre carbonitretação e nitrocarbonetação.

Durante a cementação ou a carbonitretação, o aço é aquecido até a faixa da austenita. O carbono, ou o carbono juntamente com o nitrogênio, difunde-se nessa fase, e a superfície se torna quimicamente diferente do núcleo. Durante o resfriamento, a austenita pode transformar-se em perlita, bainita ou martensita, dependendo da taxa de resfriamento e da temperabilidade. O endurecimento superficial industrial geralmente utiliza têmpera para que a superfície enriquecida se transforme predominantemente em martensita. A martensita é uma estrutura tetragonal de corpo centrado, supersaturada e distorcida; sua dureza provém do carbono retido, da deformação da rede cristalina e da alta densidade de defeitos de transformação.

O núcleo também pode se transformar durante a têmpera, mas seu menor teor de carbono normalmente resulta em menor dureza da martensita e maior tenacidade. Elementos de liga como cromo, níquel, molibdênio e manganês deslocam a cinética de transformação e alteram a taxa de resfriamento necessária. Assim, um núcleo de baixo teor de carbono pode permanecer tenaz enquanto uma superfície de alto teor de carbono se torna dura, desde que o ciclo térmico e o tamanho da seção sejam controlados.

A nitrocarbonetação não é um ciclo de carbonitretação com baixa dosagem. Ela ocorre na ferrita, abaixo da temperatura crítica, portanto não há uma etapa intencional de austenitização e normalmente não há uma camada martensítica gerada por têmpera. Sua superfície pode conter uma camada de compostos de nitretos de ferro, frequentemente chamada de camada branca, sobre uma zona de difusão contendo nitrogênio. As fases exatas dependem da temperatura, da química do gás ou do sal, dos potenciais de carbono e nitrogênio e da composição do aço. Nitretos de liga podem se formar dentro da zona de difusão, aumentando a dureza sem produzir a mesma estrutura martensítica encontrada após a carbonitretação.

A nitretação pode produzir de modo semelhante uma camada de compostos e uma zona de difusão, enquanto a boretação pode criar boretos de ferro ou de liga, e a cromização pode modificar a superfície com fases ricas em cromo. Essas camadas diferem em espessura, fragilidade, aderência, gradiente de dureza e resposta às cargas de contato. Um único valor de dureza não pode identificá-las.

O endurecimento térmico cria outra estrutura. O aquecimento por indução, chama, laser ou feixe de elétrons eleva somente a superfície selecionada até a austenita, enquanto o aço subjacente permanece mais frio. O autorresfriamento rápido ou o resfriamento aplicado externamente transforma então a região austenitizada em martensita. Não é necessária difusão de carbono, portanto a profundidade endurecida é determinada principalmente pelo padrão de aquecimento, pela condutividade térmica, pelos parâmetros de frequência ou do feixe, pelo tempo de permanência e pelas condições de resfriamento.

Têmpera, revenimento e tensões de transformação

A têmpera congela a condição de alta temperatura, controlada por difusão, em uma estrutura fora do equilíbrio. No aço cementado e carbonitretado, a superfície pode conter martensita de alto teor de carbono, martensita de menor teor de carbono no núcleo e austenita retida caso o teor de carbono reduza as temperaturas de início e de fim da formação de martensita. Carbonetos também podem permanecer ou precipitar, dependendo da liga e do controle do processo. A austenita retida pode transformar-se posteriormente durante o serviço ou a retificação, causando alteração dimensional.

O resfriamento não é mecanicamente neutro. A superfície esfria e se contrai antes do interior mais quente, gerando tensões térmicas. A transformação acrescenta outra deformação, pois a austenita se expande ao transformar-se em martensita. O padrão final de tensões residuais depende da sequência de temperaturas ao longo da seção, dos gradientes de carbono e nitrogênio, da fração de martensita, da geometria e da severidade da têmpera. A tensão compressiva superficial pode contribuir para a resistência a algumas trincas de fadiga, mas distorção excessiva, trincas de têmpera ou tensão de tração em uma localização crítica podem anular o tratamento pretendido.

O revenimento rea­quece o aço temperado abaixo da faixa da austenita. Ele reduz a fragilidade, alivia parte da tensão de têmpera e permite que o carbono saia da martensita supersaturada. A martensita revenida resultante é menos dura que a martensita não revenida, mas geralmente mais estável e tolerante a danos. O revenimento também pode alterar a austenita retida e precipitar carbonetos. As peças nitretadas e nitrocarbonetadas ferríticas exigem uma abordagem diferente: suas zonas de difusão e camadas de compostos não são criadas por têmpera, e o aquecimento excessivo após o tratamento pode engrossar os precipitados, alterar a química da camada ou reduzir a dureza.

A camada acabada é, portanto, o produto da química, da difusão, da estabilidade das fases, do aquecimento, do resfriamento e da evolução das tensões. A verificação deve informar mais que a dureza superficial: a profundidade medida da camada, o perfil de dureza, a microestrutura, a espessura da camada de compostos quando aplicável, a austenita retida, a distorção e a tensão residual podem determinar se o tratamento atende ao requisito de serviço.

Cementação: camadas enriquecidas em carbono seguidas de têmpera

Princípio da cementação

A cementação é um tratamento termoquímico no qual o carbono penetra na superfície de um aço de baixo carbono enquanto o aço é mantido a uma temperatura na qual a austenita pode se formar. O tratamento cria uma superfície com alto teor de carbono sobre um interior com menor teor de carbono; portanto, não se trata simplesmente de uma operação de aquecimento nem, por si só, do ciclo completo de têmpera. Depois, a camada enriquecida normalmente é austenitizada e temperada, para que seu teor de carbono possa produzir martensita.

A ASM International define o endurecimento superficial como o tratamento de um material ferroso para que sua camada superficial, ou camada endurecida, se torne substancialmente mais dura que o núcleo. A cementação obtém essa diferença alterando a composição da superfície antes da transformação. O potencial de carbono da atmosfera do forno, do banho de sais ou do meio contendo carbono é mantido acima da atividade do carbono na superfície do aço. O carbono então se dissolve na superfície e se difunde para o interior. Sua concentração diminui com a distância em relação à superfície, produzindo um gradiente de carbono em vez de uma fronteira abrupta.

O gradiente é importante. Próximo à superfície, o teor de carbono pode ser suficientemente alto para produzir martensita de alto carbono após a têmpera. Mais para o interior, a composição original de baixo carbono permanece em grande parte inalterada, embora essa região seja submetida ao mesmo ciclo térmico. O componente resultante pode combinar uma superfície dura e resistente ao desgaste com um núcleo mais tenaz e mais tolerante a danos. Essa configuração explica por que a cementação é utilizada em peças como engrenagens, eixos estriados, roletes, buchas e outros componentes expostos a tensões de contato, mas não significa que toda peça cementada apresente o mesmo comportamento quanto a desgaste, fadiga, atrito ou corrosão.

AISI 8620, AISI 4320 e AISI 9310 são exemplos conhecidos de aços-liga de baixo carbono utilizados na prática de cementação, mas uma designação, por si só, não estabelece a profundidade da camada, o perfil de dureza ou o resultado de distorção. O teor de elementos de liga do aço altera a temperabilidade, a estabilidade dos carbonetos, as temperaturas de transformação, a resposta ao revenimento e as variações dimensionais. O níquel, o cromo e o molibdênio podem favorecer o endurecimento do núcleo durante a têmpera, enquanto um teor excessivo de carbono na superfície ou um equilíbrio inadequado de elementos de liga pode aumentar a austenita retida e a formação de carbonetos.

Os meios de cementação incluem processos a gás, a vácuo e em caixa. A cementação gasosa normalmente controla uma atmosfera contendo monóxido de carbono, dióxido de carbono, hidrogênio, metano e outros produtos de hidrocarbonetos. A cementação a vácuo utiliza a injeção de hidrocarbonetos sob baixa pressão e é seguida de têmpera em gás ou em óleo, dependendo do equipamento e do componente. Na cementação em caixa, a peça é envolvida por um composto portador de carbono, historicamente incluindo carvão vegetal com um ativador, embora o controle do processo seja menos direto que em uma atmosfera de forno monitorada.

A temperatura e o tempo determinam o perfil de carbono. Uma temperatura mais alta geralmente acelera a difusão, mas também aumenta o crescimento de grão e pode elevar a distorção. Uma exposição mais longa aprofunda a camada apenas gradualmente, pois, sob condições simplificadas, a distância de difusão está aproximadamente relacionada à raiz quadrada do tempo. Os perfis reais dependem do potencial de carbono, dos elementos de liga, da uniformidade do forno, da condição da superfície e das condições de contorno em cantos, furos e regiões mascaradas. Portanto, uma “profundidade de camada” especificada só tem significado quando sua definição e seu método de medição são informados.

Austenitização, têmpera e revenimento

Depois que o carbono penetra na superfície, o aço normalmente deve passar por um ciclo de têmpera. Em um processo de têmpera direta, a cementação é realizada a uma temperatura de austenitização e o componente é temperado diretamente a partir dessa temperatura. Em um processo de têmpera dupla ou de reaustenitização, a peça é resfriada após a cementação e depois reaquecida, às vezes primeiro para refinar o núcleo e, em seguida, para endurecer a camada. O ciclo selecionado depende do grau do aço, do tamanho da seção, das propriedades exigidas para o núcleo, do controle do tamanho de grão e dos limites de distorção.

A austenita dissolve o carbono e permite que a superfície enriquecida responda de maneira diferente do núcleo de baixo carbono durante o resfriamento. Se a têmpera for suficientemente severa e a trajetória de temperatura evitar produtos de transformação excessivos, a camada se transformará principalmente em martensita. O núcleo também poderá formar martensita, mas seu menor teor de carbono lhe confere menor dureza após a têmpera e, em geral, maior tenacidade. A temperabilidade da liga determina até que ponto essa transformação prossegue. Uma seção espessa ou uma têmpera inadequada pode deixar bainita, ferrita ou perlita em regiões destinadas a suportar a carga.

A severidade da têmpera deve ser controlada, e não maximizada. Óleo, solução de polímero, gás pressurizado e outros meios de têmpera removem calor a taxas diferentes, e a agitação altera a condição local de resfriamento. Uma têmpera muito severa pode reduzir produtos de transformação indesejavelmente moles, mas também pode elevar as tensões térmicas e de transformação, aumentando a possibilidade de trincas e alterações dimensionais. A têmpera interrompida, escalonada ou em gás pressurizado pode reduzir as variações dimensionais em determinadas geometrias, mas nenhum meio de têmpera é universalmente adequado.

O revenimento vem depois da têmpera. Seu objetivo é reduzir a fragilidade e as elevadas tensões residuais da martensita após a têmpera, ao mesmo tempo que estabelece a dureza e a estabilidade dimensional necessárias. O revenimento não restaura a condição original de baixo carbono. A camada rica em carbono continua quimicamente distinta, e sua resposta pode diferir da do núcleo. A temperatura e o tempo de revenimento influenciam a precipitação de carbonetos, a decomposição da martensita, a estabilidade da austenita retida e a dureza final. O revenimento a baixa temperatura é comum quando se exige elevada dureza da camada, mas não substitui a especificação da microestrutura completa e do perfil de dureza.

O controle do processo também deve abordar o crescimento dos grãos de austenita. As temperaturas de cementação são suficientemente altas para que uma exposição prolongada aumente o tamanho dos grãos de austenita prévia, especialmente quando o aço não possui adições adequadas para refino de grão ou quando o ciclo é mal controlado. Grãos grosseiros podem reduzir a tenacidade e alterar o comportamento de transformação. O reaquecimento abaixo da temperatura original de cementação pode refinar a estrutura, mas acrescenta outro ciclo térmico e outra oportunidade para a ocorrência de distorção.

Microestrutura, austenita retida e distorção

Uma camada cementada pode conter martensita de alto teor de carbono, austenita retida, carbonetos e regiões de transição. Strong evidence

Uma camada cementada não é definida apenas pela martensita. Um exame microestrutural prático pode identificar martensita de alto carbono, austenita retida, carbonetos e regiões de transição nas quais o carbono e a dureza diminuem em direção ao núcleo. A proporção e a morfologia de cada constituinte dependem do potencial de carbono na superfície, da temperatura, da composição da liga, da taxa de resfriamento e do revenimento.

Austenita retidaAustenita retida Austenita que permanece não transformada após a têmpera porque suas temperaturas de transformação são suficientemente reduzidas pela composição e pelo histórico de resfriamento.

A austenita retida se forma quando a austenita enriquecida em carbono apresenta uma temperatura de início da formação de martensita suficientemente baixa para que a têmpera não a transforme completamente. Parte da austenita retida pode acomodar deformações e reduzir a ocorrência imediata de trincas, mas é dimensionalmente instável sob tensões de serviço, durante a usinagem ou após resfriamento subsequente. A transformação em martensita pode causar crescimento ou outras alterações dimensionais. Uma quantidade excessiva também pode reduzir a dureza medida ou alterar o comportamento em fadiga de contato. Por esse motivo, o teor de austenita retida é frequentemente medido por metalografia ou difração de raios X quando a estabilidade dimensional ou o carregamento cíclico são importantes; a dureza superficial, por si só, não permite identificá-la de modo confiável.

Os carbonetos representam outro problema de controle. Os carbonetos de liga podem contribuir para a resistência ao desgaste, mas uma rede contínua de carbonetos ou uma quantidade excessiva de carbonetos nos contornos de grão pode fragilizar a camada e consumir elementos de liga necessários à temperabilidade. Um potencial de carbono excessivo, um tempo excessivo na temperatura ou uma composição inadequada do aço podem produzir uma superfície mais dura em uma impressão de ensaio, mas menos satisfatória em serviço. O objetivo é obter um perfil de carbono controlado, e não o maior teor possível de carbono na superfície.

A distorção resulta da ação conjunta de várias fontes: expansão e contração térmicas, deformações de transformação à medida que a austenita se converte em martensita, resfriamento não uniforme, variações na espessura da seção, tensões residuais de usinagem e efeitos da fixação ou da carga. As engrenagens podem sofrer alterações no tamanho dos dentes ou no batimento; os eixos podem entortar ou aumentar de diâmetro; e as seções finas podem empenar. Portanto, a geometria, a orientação no forno, a agitação da têmpera e a fixação pertencem à especificação do processo. A retificação após a têmpera pode corrigir alguns erros dimensionais, mas não pode reparar uma microestrutura inadequada da camada nem remover a distorção sem consumir a camada exigida.

A verificação deve medir mais do que um valor de dureza superficial. A ISO 2639:2002 trata da determinação e verificação da profundidade de camadas cementadas e endurecidas e utiliza uma condição de dureza inferior a 450 HV 1 a três vezes a profundidade da camada para definir sua aplicabilidade. Um perfil de dureza da superfície em direção ao núcleo pode estabelecer a profundidade efetiva da camada quando a carga especificada, a preparação, o espaçamento e o ponto final são respeitados. A ISO 18203:2026 abrange camadas endurecidas superficialmente por cementação, carbonitretação, nitretação, têmpera por chama, indução, feixe de elétrons e laser, reforçando que tratamentos diferentes exigem procedimentos de medição definidos.

O exame metalográfico pode revelar martensita, bainita, perlita, austenita retida e carbonetos que um perfil de dureza pode não detectar. A inspeção dimensional e as medições de tensões residuais podem ser necessárias para componentes de precisão. A cementação está entre os tratamentos termoquímicos mais utilizados para o aço, mas seu resultado é uma combinação controlada de composição, transformação, microestrutura, tensões e profundidade de camada medida — e não um rótulo genérico para qualquer superfície endurecida.

Carbonitretação: Carbono e Nitrogênio na Austenita

A carbonitretação é um processo termoquímico de endurecimento superficial no qual tanto o carbono quanto o nitrogênio penetram na superfície do aço enquanto este se encontra no estado austenítico. A camada enriquecida é então temperada, geralmente produzindo martensita substancialmente mais dura que o núcleo de menor teor de carbono. Isso posiciona a carbonitretação entre a cementação e a nitretação quanto à lógica do processo, mas ela não é simplesmente um ciclo de cementação mais rápido nem uma forma de nitrocarbonetação realizada em alta temperatura.

A ASM International define o endurecimento superficial como o tratamento de um material ferroso para que sua camada superficial, ou camada endurecida, se torne substancialmente mais dura que o núcleo. O U.S. National Bureau of Standards classifica de modo semelhante a cementação, a nitretação e a carbonitretação de acordo com a adição de carbono, nitrogênio ou ambos à superfície do aço. Portanto, a carbonitretação deve ser identificada pelas espécies que se difundem e pela condição de fase, e não apenas pelo perfil final de dureza.

Mecanismo da carbonitretação

A peça é aquecida acima da temperatura crítica inferior, entrando na faixa da austenita, geralmente em uma atmosfera gasosa controlada contendo um gás portador de carbono e uma adição de amônia. Monóxido de carbono, metano, propano e gás endotérmico de arraste podem participar do fornecimento de carbono, enquanto a amônia fornece uma fonte de nitrogênio atômico. A atmosfera deve ser controlada porque o potencial de carbono, a dissociação da amônia, o fluxo de gás, a pressão e a temperatura do forno determinam conjuntamente o potencial químico na superfície do aço.

Na temperatura de austenitização, a austenita pode dissolver uma quantidade apreciável de carbono e uma quantidade menor, porém metalurgicamente significativa, de nitrogênio. O carbono e o nitrogênio então se difundem para o interior a partir da superfície. Sua concentração diminui com a distância, produzindo um gradiente em vez de uma fronteira nítida. O perfil resultante depende da temperatura, do tempo de permanência, da composição da liga, das reações superficiais e da taxa com que a atmosfera fornece cada espécie.

O nitrogênio afeta mais do que a química superficial. Na austenita, ele pode aumentar a temperabilidade e retardar algumas reações de transformação, permitindo que uma camada enriquecida fina forme martensita durante a têmpera, mesmo quando o aço-base apresenta temperabilidade limitada. O nitrogênio também altera as temperaturas de transformação da austenita em martensita e pode aumentar a austenita retida se o teor combinado de carbono e nitrogênio for excessivo. Elementos de liga como cromo, molibdênio, manganês e níquel alteram ainda mais a temperabilidade e a estabilidade de carbonetos ou nitretos.

A sequência prática é, portanto, geralmente a seguinte: austenitizar em uma atmosfera contendo carbono e nitrogênio, manter por tempo suficiente para que a camada especificada se desenvolva e temperar a uma taxa controlada. Pode-se realizar um revenimento posteriormente para reduzir as tensões de têmpera e ajustar a dureza. A carbonitretação é frequentemente aplicada a aços de teor de carbono relativamente baixo, incluindo classes selecionadas para peças pequenas, elementos de fixação, engrenagens, buchas e outros componentes que exigem uma camada endurecida rasa e um interior tenaz. A designação da classe, por si só, não determina o resultado. AISI 1018, AISI 1020, SAE 8620 e EN 20MnCr5 respondem de maneira diferente porque seus teores de carbono, teores de elementos de liga, tamanhos de grão, temperabilidade e tratamentos térmicos anteriores são diferentes.

A superfície pode conter martensita com austenita retida e, dependendo da composição química e do processamento, carbonetos ou carbonitretos de liga. O núcleo pode se transformar em martensita, bainita ou uma mistura contendo ferrita e perlita. Essa distinção é importante. Uma camada endurecida sobre um núcleo macio e fraco pode falhar por deformação, esmagamento ou flexão, mesmo quando a medição da dureza superficial parece satisfatória.

A carbonitretação não é nitrocarbonetação. Na carbonitretação, o carbono e o nitrogênio se difundem na austenita acima da temperatura crítica, e a têmpera normalmente cria uma camada martensítica. Na nitrocarbonetação, o carbono e o nitrogênio se difundem na ferrita abaixo da temperatura crítica. Componentes nitrocarbonetados geralmente desenvolvem uma fina camada de compostos de ferro-carbono-nitrogênio sobre uma zona de difusão contendo nitrogênio, enquanto os componentes carbonitretados são especificados principalmente por meio de uma camada endurecida e transformada. Confundir os dois tratamentos pode gerar expectativas incorretas quanto à estrutura de fases, à alteração dimensional, aos ensaios de dureza e ao comportamento de desgaste ou corrosão.

Comparação com a cementação

A cementação introduz carbono na austenita e cria uma superfície de alto teor de carbono sobre um interior de menor teor de carbono. A carbonitretação segue a mesma lógica térmica geral, mas adiciona nitrogênio simultaneamente. A diferença é significativa: o nitrogênio modifica a temperabilidade, o comportamento de transformação, a austenita retida e a resposta da camada enriquecida durante a têmpera.

Uma camada cementada costuma ser mais profunda que uma camada carbonitretada, embora nenhum dos dois processos tenha uma profundidade única e fixa. A carbonitretação é geralmente selecionada quando uma camada relativamente rasa é suficiente e quando o aumento da temperabilidade proporcionado pelo nitrogênio pode reduzir o risco de uma superfície subendurecida. O ciclo de tratamento mais curto frequentemente associado à carbonitretação é consequência da profundidade especificada e da temperatura do processo, não uma definição do método. Um ciclo longo a baixa temperatura e um ciclo curto a alta temperatura podem produzir gradientes, distorção, crescimento de grão e teores de austenita retida diferentes.

A cementação geralmente depende do potencial de carbono para estabelecer a concentração de carbono na superfície. A carbonitretação exige o controle tanto do potencial de carbono quanto do potencial de nitrogênio. Aumentar a adição de amônia não torna simplesmente a camada mais dura. O excesso de nitrogênio pode aumentar a austenita retida, promover porosidade ou uma química superficial não uniforme em condições inadequadas e alterar a resposta dimensional. O excesso de carbono pode criar uma superfície com alto teor de carbono que se torna frágil após a têmpera ou que contém austenita retida em excesso. O controle do forno e a medição da atmosfera são, consequentemente, parte da especificação metalúrgica.

O próprio aço modifica a comparação. Um aço-carbono de baixo teor de carbono pode obter uma camada martensítica rasa útil por carbonitretação, enquanto um aço de baixa liga para cementação, como o SAE 8620, é geralmente escolhido quando são necessárias maior profundidade de camada e maior temperabilidade do núcleo. Um componente de SAE 8620 cementado e um componente de AISI 1018 carbonitretado não podem ser comparados apenas pela dureza superficial. Seus gradientes de carbono, teores de nitrogênio, transformações do núcleo, distorções e capacidades de suportar carga são diferentes.

Ambos os processos podem produzir tensão residual compressiva próxima à superfície após a têmpera, o que pode contribuir para a resistência a algumas formas de fadiga de contato ou de flexão. Nenhum dos processos garante um estado de tensões benéfico. A severidade da têmpera, o tamanho da seção, a geometria, a microestrutura inicial e o revenimento determinam o resultado real. O desempenho em desgaste, atrito e tribocorrosão também depende do material do contra corpo, da lubrificação, da pressão de contato, do acabamento superficial e do ambiente; o nome do tratamento não é uma previsão de desempenho.

Camada martensítica e variáveis do processo

A camada martensítica só se forma se a austenita enriquecida for resfriada através da faixa de transformação a uma taxa suficiente. A têmpera em óleo, polímero, sal ou gás produz diferentes históricos de extração de calor. Uma têmpera severa pode aumentar a formação de martensita, mas também elevar o risco de distorção e trincas. Uma têmpera branda pode deixar bainita ou perlita em regiões que deveriam ser completamente endurecidas. A têmpera interrompida ou escalonada pode reduzir a distorção, mas altera o percurso de transformação e deve ser qualificada para a geometria do componente.

A temperatura controla a difusão e o crescimento dos grãos de austenita. O tempo controla a profundidade de penetração do carbono e do nitrogênio. A composição da atmosfera controla o fornecimento superficial. As condições de têmpera controlam as fases finais. A composição do aço controla a temperabilidade e a precipitação. Essas variáveis interagem; portanto, uma temperatura de carbonitretação informada sem dados sobre tempo, atmosfera, classe do aço e condições de têmpera não constitui uma especificação de tratamento reproduzível.

A verificação deve medir mais do que a dureza superficial máxima. Um perfil de dureza da superfície até o núcleo pode estabelecer a profundidade efetiva da camada, enquanto a metalografia pode revelar martensita, austenita retida, bainita, carbonetos, nitretos, descarbonetação e oxidação intergranular. A inspeção dimensional e a avaliação das tensões residuais podem ser necessárias para peças de precisão.

A ISO 18203:2026 abrange camadas endurecidas superficialmente produzidas por carbonitretação, cementação, nitretação, têmpera por chama, indução, feixe de elétrons e laser. A ISO 2639:2002 trata da determinação e verificação da profundidade da camada cementada e endurecida; sua aplicabilidade utiliza uma condição de dureza inferior a 450 HV 1 a três vezes a profundidade da camada. Esse critério não deve ser transferido de modo acrítico para toda especificação de carbonitretação. O desenho ou a norma do processo deve declarar o método de medição, a escala de dureza, a localização, a profundidade mínima ou efetiva, a condição superficial e os limites de aceitação. O endurecimento superficial é comprovado pela microestrutura exigida e pelo perfil de profundidade, não por uma única leitura superficial brilhante e dura.

Nitretação: Difusão de Nitrogênio sem Cementação Convencional

A nitretação é um tratamento termoquímico à base de nitrogênio no qual o nitrogênio entra na superfície do aço e reage com o ferro e com determinados elementos de liga. Portanto, ela não é uma versão de baixo teor de carbono da cementação. A cementação cria uma camada enriquecida em carbono que normalmente é austenitizada e temperada para formar martensita de alto carbono. A nitretação normalmente trata um aço previamente submetido a tratamento térmico, a uma temperatura abaixo da faixa de transformação crítica; assim, a superfície endurecida consiste principalmente em ferrita endurecida por nitrogênio e nitretos de liga, e não em uma camada martensítica formada por têmpera.

A ASM International define o endurecimento superficial como o tratamento de um material ferroso para que sua camada superficial, ou camada endurecida, se torne substancialmente mais dura que o núcleo. A nitretação atende a essa definição, mas o caminho para alcançar a dureza é diferente. O U.S. National Bureau of Standards classifica a cementação, a nitretação e a carbonitretação de acordo com a adição de carbono, nitrogênio ou ambos à superfície. Essa classificação é mais útil do que tratar todo processo de endurecimento superficial como um único ciclo térmico.

Difusão de nitrogênio e formação de nitretos

Na superfície de tratamento, o nitrogênio é fornecido por uma atmosfera de amônia dissociada, por plasma ou por outro meio controlado contendo nitrogênio. Os átomos de nitrogênio se dissolvem na superfície do aço e se difundem para o interior. Alguns permanecem em solução sólida intersticial; outros se combinam com o ferro ou com elementos de liga para formar nitretos. O perfil de dureza resultante depende do potencial de nitrogênio, da temperatura, do tempo, da composição do aço, do tratamento térmico anterior e das reações que ocorrem na superfície.

Os aços para nitretação são selecionados, em parte, por seus elementos formadores de nitretos. Alumínio, cromo, molibdênio, vanádio, titânio e, às vezes, nióbio podem formar nitretos de liga finamente distribuídos. Essas partículas dificultam o movimento das discordâncias e aumentam a dureza na zona de difusão. Seus efeitos não são intercambiáveis: cada elemento apresenta solubilidade, estabilidade do nitreto, comportamento de precipitação e influência sobre a tenacidade e a variação dimensional diferentes. A presença de um elemento em um certificado de composição não estabelece, por si só, uma determinada profundidade ou dureza após a nitretação. Esses resultados exigem um processo definido e um método de verificação.

Entre as escolhas comuns de engenharia estão os aços especificados para nitretação segundo a EN 10085, bem como aços de liga, como o AISI 4140, quando a resposta necessária, o tratamento do núcleo e as condições de serviço já tiverem sido estabelecidos. Nenhum grau deve receber um resultado genérico de nitretação sem o controle de sua composição química exata, condição de revenimento anterior, acabamento superficial e ciclo do forno.

O transporte de nitrogênio é fortemente afetado pela reação superficial. Na nitretação gasosa, a dissociação da amônia e o potencial de nitretação resultante controlam a atividade do nitrogênio na peça. Na nitretação a plasma, o bombardeamento iônico pode limpar e ativar a superfície, enquanto os parâmetros elétricos influenciam o aquecimento e o transporte das espécies. Esses processos estão relacionados, mas não produzem camadas de compostos, rugosidade, porosidade ou uniformidade local idênticas.

Uma camada de compostos pode se formar na superfície externa. Ela é constituída principalmente por nitretos de ferro, comumente descritos como nitreto de ferro épsilon, ε-Fe₂–₃N, e nitreto de ferro gama-prima, γ′-Fe₄N. Dependendo do potencial de nitrogênio e do controle do ciclo, a camada pode ser predominantemente constituída por uma fase, por uma mistura de fases ou ser suficientemente fina para apresentar continuidade limitada. Abaixo dela encontra-se a zona de difusão, na qual o nitrogênio está dissolvido na matriz e pode ocorrer a precipitação de nitretos de liga. A camada de compostos pode melhorar a resistência ao desgaste adesivo e a alguns ambientes corrosivos, mas também pode ser frágil, porosa ou apresentar baixa aderência se sua composição química e espessura forem inadequadas. Uma camada branca espessa não é automaticamente evidência de um tratamento bem-sucedido.

A zona de difusão não equivale à região martensítica transformada produzida pela cementação. Ela pode conter um gradiente de dureza causado pela diminuição da concentração de nitrogênio e pela alteração da densidade de precipitados com a profundidade. O núcleo mantém a microestrutura produzida pela operação anterior de têmpera e revenimento. Por esse motivo, a nitretação normalmente começa com um aço cujas propriedades do núcleo já estejam estabelecidas. O ciclo de nitretação não se destina a substituir esse tratamento térmico do núcleo.

Terminologia da camada nitretada

O termo “camada nitretada” é usado na indústria, mas pode ocultar duas estruturas distintas. Um relatório deve identificar se ele se refere à espessura total da camada nitretada, à espessura da camada de compostos, à profundidade da zona de difusão ou a uma profundidade efetiva especificada com base na dureza. “Camada branca” é um termo metalográfico para a camada de compostos após o ataque; não é uma descrição completa da região nitretada.

Essa distinção é importante durante a inspeção. Uma seção transversal pode mostrar uma camada de compostos fina e contínua sobre uma zona de difusão muito mais espessa. Alternativamente, a camada de compostos pode ser deliberadamente minimizada, enquanto a zona de difusão fornece a principal dureza responsável pela sustentação da carga. Peças expostas a deslizamento, impacto, contato de rolamento ou meios corrosivos podem exigir equilíbrios diferentes entre essas regiões. O comportamento de atrito e desgaste não pode ser previsto a partir de um único valor de dureza superficial, pois a rugosidade, a porosidade, a morfologia dos nitretos, o material do contracorpo, a lubrificação e a tensão residual também afetam o contato.

A profundidade nitretada deve ser informada com sua base de medição. Um limite metalográfico, um perfil de microdureza e um perfil de concentração de nitrogênio não necessariamente fornecerão o mesmo valor. A ISO 18203:2026 abrange camadas endurecidas superficialmente produzidas por nitretação, bem como por cementação, carbonitretação, têmpera por chama, têmpera por indução, endurecimento por feixe de elétrons e endurecimento a laser. A inclusão desses processos não torna idênticos seus critérios de profundidade de camada; a definição e o procedimento de medição pertinentes devem corresponder ao tratamento.

A ISO 2639:2002 é direcionada à determinação e à verificação da profundidade da camada cementada e endurecida. Sua aplicabilidade inclui uma condição de dureza inferior a 450 HV 1 a três vezes a profundidade da camada. Esse critério não deve ser transferido de forma acrítica para camadas nitretadas. A nitretação frequentemente produz uma redução gradual da dureza, uma camada de compostos com função distinta e um núcleo cuja dureza pode já ser relativamente elevada. Uma especificação de nitretação deve indicar a carga de ensaio, o espaçamento entre pontos do perfil, a remoção ou inclusão da camada de compostos na medição e o ponto final escolhido.

Estabilidade dimensional e limitações do processo

A nitretação é frequentemente selecionada quando é necessário limitar a distorção, porque normalmente evita as etapas de austenitização e têmpera associadas à cementação. Essa vantagem é real, mas não absoluta. A peça ainda é aquecida durante muitas horas, e a absorção de nitrogênio, a precipitação de nitretos, a liberação de tensões de usinagem e o crescimento da camada de compostos podem alterar suas dimensões. Seções finas, arestas vivas, ajustes por pressão e superfícies previamente encruadas são particularmente sensíveis. Dispositivos de fixação e planejamento de sobremetal continuam sendo necessários.

A microestrutura inicial é decisiva. Um núcleo temperado e revenido fornece a resistência e a estabilidade das quais a camada nitretada depende, enquanto tensões residuais excessivas ou uma temperatura de revenimento inadequada podem causar movimentação dimensional durante o tratamento. A temperatura de nitretação também deve permanecer compatível com a condição de revenimento anterior; se a peça for exposta a uma temperatura superior à utilizada no revenimento, a dureza do núcleo poderá diminuir, ainda que a superfície se torne mais dura.

A condição superficial controla a entrada de nitrogênio. Filmes de óxido, resíduos de óleo, descarbonetação, danos de retificação, metal arrastado e rugosidade irregular podem produzir camadas de compostos descontínuas ou profundidades de difusão inconsistentes. Por isso, limpeza, ativação, mascaramento e pré-usinagem controlada são requisitos do processo, e não etapas meramente estéticas. Arestas e furos podem receber fluxos de nitrogênio diferentes dos recebidos por faces amplas e planas, enquanto os tratamentos a plasma podem apresentar efeitos locais decorrentes da geometria e da blindagem elétrica.

A temperatura, o tempo e o potencial de nitrogênio também impõem limitações. Uma temperatura mais elevada geralmente acelera a difusão e a precipitação, mas pode aumentar a variação dimensional, alterar a condição de revenimento anterior ou produzir uma camada de compostos excessiva. Um tratamento mais longo aumenta a profundidade apenas de acordo com a cinética de difusão; ele não garante um aumento proporcional da profundidade útil para sustentação de carga. O excesso de nitrogênio pode promover estruturas superficiais frágeis ou porosas. Portanto, o controle do processo deve especificar a condição pretendida da camada de compostos, e não apenas a temperatura e a duração no forno.

A nitretação deve ser avaliada em relação à sua função efetiva em serviço: dureza da zona de difusão responsável pela sustentação de carga, atrito, desgaste, corrosão, fadiga, tolerância dimensional e resistência do núcleo. Aplicar apenas critérios de cementação significa confundir uma estrutura de difusão de nitrogênio com uma camada de carbono formada por têmpera. Esse erro pode produzir uma leitura de dureza aparentemente conforme, mas deixar de identificar a camada que controla a falha.

Nitrocarbonetação Ferrítica e Camadas de Nitrocarbonetação

A nitrocarbonetação ferrítica (FNC), frequentemente chamada de tratamento de nitrocarbonetação ferrítica, é um processo termoquímico de endurecimento superficial no qual carbono e nitrogênio se difundem simultaneamente na ferrita, enquanto o aço permanece abaixo de sua temperatura crítica de transformação. A distinção em relação à carbonitretação é metalurgicamente importante. A carbonitretação introduz carbono e nitrogênio na austenita, geralmente a uma temperatura suficientemente alta para formar uma camada martensítica após a têmpera. A nitrocarbonetação normalmente não segue esse ciclo de austenitização e têmpera. Ela modifica a superfície ferrítica existente por meio de difusão intersticial e formação de compostos.

O termo nitrocarbonetação pode descrever a família de processos, enquanto nitrocarbonetação ferrítica identifica a rota realizada abaixo da temperatura crítica. Processos gasosos, em banho de sais e a plasma podem fornecer as espécies portadoras de nitrogênio e carbono, embora sua química gasosa, seu controle de reação e a condição da superfície sejam diferentes. O U.S. National Bureau of Standards classifica a cementação, a nitretação e a carbonitretação de acordo com a adição, na superfície, de carbono, nitrogênio ou ambos; a FNC pertence a essa mesma classificação termoquímica, mas sua temperatura de processamento ferrítico e sua microestrutura resultante exigem um tratamento separado.

Processamento abaixo da temperatura crítica

A peça é aquecida abaixo da temperatura crítica inferior, Ac1, de modo que a matriz permaneça ferrítica em vez de se transformar em austenita. O nitrogênio e o carbono entram na superfície a partir da atmosfera de tratamento ou do sal e se difundem para o interior. Como não há uma transformação intencional de fase no volume seguida de têmpera, a alteração dimensional e a distorção são frequentemente menores do que na cementação ou na carbonitretação. Elas não estão ausentes. Gradientes térmicos, tensões preexistentes, marcas de usinagem, geometria da peça e crescimento da camada de compostos ainda podem alterar as dimensões e a forma.

A resposta ao tratamento depende fortemente da composição do aço. O ferro, por si só, pode formar carbonitretos e nitretos de ferro, mas elementos de liga como cromo, molibdênio, vanádio e alumínio formam nitretos de liga estáveis na zona de difusão. Esses precipitados dificultam o movimento das discordâncias e elevam a dureza abaixo da superfície. Assim, aços de baixo carbono e baixa liga podem receber uma superfície endurecida sem adquirir a camada martensítica profunda, temperada, associada aos aços cementados. Aços para nitretação, incluindo classes especificadas como EN 41B ou AISI 4140, quando a designação normativa efetiva e o tratamento térmico anterior são controlados, respondem de maneira diferente dos aços-carbono comuns, porque seus elementos de liga alteram a difusão do nitrogênio, a precipitação e a dureza.

Temperatura, tempo, potencial e prática de resfriamento devem ser controlados em conjunto. Um alto potencial de nitrogênio pode criar uma camada de compostos espessa e frágil; um potencial insuficiente pode produzir uma camada contínua pequena ou inexistente. A atividade do carbono também altera o equilíbrio de fases e pode afetar a porosidade. Portanto, o ciclo do forno não é intercambiável com uma receita de cementação, mesmo quando o mesmo componente de aço é tratado.

Camada de compostos e zona de difusão

Uma superfície nitrocarbonetada é comumente descrita como constituída por duas regiões adjacentes. A camada externa de compostos, às vezes chamada de camada branca após o ataque metalográfico, consiste principalmente em carbonitretos de ferro. Suas fases podem incluir épsilon, aproximadamente Fe₂–₃(N,C), e gama-linha, aproximadamente Fe₄(N,C), sendo a proporção determinada pela temperatura, pela química do gás ou do sal e pelo tempo de tratamento. A camada não é simplesmente “nitrogênio duro”. Trata-se de uma zona de reação quimicamente distinta, semelhante a uma cerâmica, cuja constituição de fases, espessura, continuidade e porosidade determinam seu comportamento em contato.

Abaixo dela encontra-se a zona de difusão. As concentrações de nitrogênio e carbono diminuem com a profundidade, enquanto precipitados de nitretos de liga e deformações locais da rede podem produzir um gradiente de dureza. Em geral, a zona de difusão faz uma transição progressiva para o núcleo não afetado, em vez de terminar em um limite metalúrgico nítido. Sua profundidade útil deve, portanto, ser definida por um critério de medição, e não por uma borda visual em uma seção transversal polida.

A continuidade é importante. Uma camada de compostos fina e contínua pode proteger uma superfície de deslizamento, enquanto uma camada descontínua pode expor regiões mais macias e produzir contato irregular. Uma espessura excessiva pode aumentar a fragilidade e favorecer trincas ou desplacamento sob impacto ou alta tensão de contato. A porosidade é igualmente relevante: uma porosidade controlada próxima à superfície pode reter lubrificante em algumas aplicações, mas poros interconectados podem permitir a entrada de eletrólito corrosivo e fornecer locais de início de trincas. A composição é importante porque as camadas de épsilon e de gama-linha não possuem a mesma dureza, fragilidade, estabilidade química ou resposta ao atrito.

O substrato continua sendo parte do sistema de suporte de carga. Uma camada de compostos dura apoiada sobre um núcleo macio pode colapsar ou trincar mesmo quando um ensaio de dureza superficial fornece um valor impressionante. A têmpera e o revenimento anteriores, a dureza do núcleo, as tensões residuais, as inclusões e a geometria da superfície afetam o suporte. A retificação, o polimento, o tamboreamento, o jateamento com granalha ou a remoção da camada mais externa podem alterar a rugosidade, abrir ou fechar poros e modificar a espessura medida e funcional do tratamento.

A verificação deve separar a espessura da camada de compostos da profundidade da zona de difusão e deve informar o método utilizado. A metalografia de seções transversais pode identificar a morfologia das fases e a porosidade; perfis de microdureza podem estabelecer o gradiente de dureza; a microscopia eletrônica de varredura e a difração de raios X podem ajudar a avaliar a morfologia e a constituição de fases. A ISO 18203:2026 abrange camadas endurecidas superficialmente produzidas por métodos termoquímicos, incluindo carbonitretação, cementação e nitretação, bem como métodos térmicos localizados. Seu escopo dá suporte a uma estrutura comum para a medição da espessura das camadas, mas o critério informado ainda precisa declarar se se refere à camada de compostos, à zona de difusão ou a um limite de dureza especificado.

A ISO 2639:2002 é direcionada à profundidade da camada cementada e endurecida, não se aplicando automaticamente a toda camada nitrocarbonetada. Ela define a aplicabilidade usando uma condição de dureza inferior a 450 HV 1 a três vezes a profundidade da camada. Aplicar essa regra sem verificar o tipo de tratamento pode representar de forma incorreta um perfil de FNC, particularmente quando uma camada de compostos fina está sobre uma zona de difusão rasa e a dureza do núcleo já é elevada.

Considerações sobre desgaste, atrito e corrosão

A nitrocarbonetação pode alterar o comportamento tribológico por meio de vários mecanismos simultâneos: a camada de compostos aumenta a dureza superficial, a zona de difusão sustenta a camada externa e a rugosidade final controla a área real de contato e a retenção de lubrificante. O resultado não é uma melhoria universal. A velocidade de deslizamento, a carga, o material do contra-corpo, a lubrificação, a temperatura, os detritos e a geometria de contato podem inverter a classificação entre dois tratamentos.

A revisão sobre tribologia e tribocorrosão catalogou a boretação, a cromização, a cementação, a nitretação, a nitrocarbonetação e a carbonitretação como tratamentos associados ao desempenho em desgaste, atrito e corrosão. Essa classificação identifica finalidades de engenharia, não resultados garantidos. Uma camada contínua de carbonitreto pode reduzir o desgaste adesivo, enquanto uma camada porosa ou trincada pode acelerar o dano abrasivo ou expor o substrato. Uma superfície rugosa após o tratamento pode elevar o atrito mesmo quando a dureza aumentou. Por outro lado, o polimento pode reduzir o atrito, mas remover parte da camada de compostos ou alterar sua estrutura de poros.

A corrosão exige a mesma cautela. Algumas superfícies nitrocarbonetadas apresentam resistência aprimorada em determinados ambientes porque a camada de compostos limita o acesso ao aço. Outras sofrem ataque localizado através de poros, trincas, danos nas bordas ou diferenças galvânicas entre as fases. Ensaios de névoa salina, imersão, eletroquímicos e de tribocorrosão medem processos de falha diferentes; nenhum deles deve ser substituído por um valor de dureza.

Para fins de especificação, o registro relevante inclui a classe do aço e o tratamento térmico anterior, a rota do processo, a temperatura e o tempo de tratamento, a fase ou a espessura da camada de compostos, a porosidade e a continuidade, a profundidade da zona de difusão, o perfil de dureza, a rugosidade e a operação de acabamento. Essas informações distinguem uma camada controlada de nitrocarbonetação ferrítica da alegação vaga de que uma peça foi simplesmente “endurecida superficialmente”.

Outros métodos de endurecimento superficial: cianetação, boretação e cromização

A definição da ASM International é deliberadamente ampla: o endurecimento superficial é o tratamento de um material ferroso para que sua camada superficial, ou camada endurecida, se torne substancialmente mais dura que o núcleo. Essa definição inclui mais do que a cementação. O U.S. National Bureau of Standards também classifica os tratamentos superficiais de acordo com as espécies adicionadas ao aço: carbono, nitrogênio ou ambos. A boretação e a cromização estendem o mesmo princípio ao boro e ao cromo, enquanto a cianetação introduz carbono e nitrogênio a partir de um ambiente contendo cianeto.

Esses tratamentos não devem ser avaliados apenas pela dureza superficial. O elemento em difusão, o composto de reação, a temperatura do processo, a trajetória de transformação, a espessura da camada, a aderência, as tensões residuais e a condição do núcleo determinam, em conjunto, se um componente terá bom desempenho em desgaste por deslizamento, desgaste abrasivo, fadiga, atrito ou tribocorrosão. A revisão Tribology and Tribocorrosion of Case-Hardened Steels identifica a boretação, a cromização, a cementação, a nitretação, a nitrocarbonetação e a carbonitretação como tratamentos relacionados, mas eles não produzem superfícies intercambiáveis.

A cianetação em contexto histórico e técnico

A cianetação é um tratamento termoquímico no qual carbono e nitrogênio entram na superfície do aço a partir de um banho de sais de cianeto fundidos, historicamente baseado com frequência em cianeto de sódio ou cianeto de potássio, com constituintes de carbonato e cloreto. O banho fornece ambos os elementos intersticiais enquanto a peça é mantida na faixa austenítica. Após ser retirada do banho, a peça é normalmente temperada, de modo que a austenita enriquecida se transforme predominantemente em martensita. Metalurgicamente, a camada resultante é, portanto, mais próxima de uma camada carbonitretada fina do que de uma camada nitretada formada abaixo da temperatura crítica.

Sua importância histórica decorre da combinação entre transferência rápida e enriquecimento superficial relativamente raso. Pequenas engrenagens, pinos, buchas e outras peças de aço de baixo carbono podiam receber uma camada martensítica dura sem o longo ciclo de forno associado à cementação mais profunda. O tratamento também demonstra por que “endurecimento superficial” não pode ser usado como sinônimo de cementação: a cianetação fornece nitrogênio além de carbono, e o nitrogênio altera a estabilidade da austenita, a temperabilidade, o comportamento da austenita retida e a resposta à têmpera.

O processo apresenta limitações substanciais. Um banho de cianeto é quimicamente perigoso, requer práticas operacionais controladas e exige controle cuidadoso da composição e da temperatura do sal. Esses requisitos de manuseio fazem parte da especificação do processo, não sendo detalhes incidentais. A cianetação também é pouco adequada para componentes que exigem uma camada muito profunda, pois sua principal vantagem prática é a formação rápida de uma camada enriquecida relativamente rasa. A têmpera pode produzir distorção e padrões de tensões residuais de tração ou compressão que dependem da geometria, da composição do aço, da agitação e do revenimento.

A verificação deve estabelecer mais do que uma leitura elevada de dureza na superfície externa. Uma seção transversal polida pode revelar a transição entre a camada martensítica e o núcleo de menor teor de carbono, enquanto um perfil de microdureza identifica a profundidade efetiva endurecida. A ISO 18203:2026 fornece uma estrutura para medir camadas endurecidas superficialmente produzidas por métodos termoquímicos, incluindo cementação, carbonitretação e nitretação; para materiais cianetados, é necessária a mesma separação entre o perfil de dureza medido e qualquer camada estimada visualmente. A ISO 2639:2002 é especificamente voltada à profundidade da camada cementada e endurecida, portanto sua aplicabilidade não deve ser presumida automaticamente para toda estrutura cianetada. A condição de dureza especificada é inferior a 450 HV 1 a três vezes a profundidade da camada.

Boretação e camadas duras de boretos

A boretação, também chamada boronização, introduz boro na superfície do aço para formar boretos de ferro, em vez de apenas enriquecer a ferrita ou a austenita com um soluto intersticial. As rotas de processo comuns incluem boretação em caixa, tratamentos com pasta ou pó, sais fundidos e métodos gasosos ou assistidos por plasma. A rota selecionada controla a atividade do boro, a temperatura, o tempo, a limpeza da superfície e a forma da frente de reação.

Em aços comuns ao carbono e aços de baixa liga, as principais fases são geralmente Fe₂B e, sob maior atividade do boro ou exposições mais longas, uma camada externa de FeB sobre Fe₂B. Sua morfologia costuma ser semelhante a dentes, com “dedos” de boretos penetrando no substrato. Essa geometria pode melhorar o intertravamento mecânico, mas também torna a caracterização da camada mais dependente do local da seção e da preparação. Em geral, Fe₂B é menos frágil que FeB; uma camada de FeB excessiva ou contínua pode reduzir a tolerância ao impacto, à flexão e à incompatibilidade térmica. Portanto, uma superfície boretada não é simplesmente uma versão mais dura de uma superfície cementada.

A camada de boretos é uma zona de reação intermetálica semelhante a uma cerâmica, aderida a um substrato metálico. A aderência depende da composição do substrato, do equilíbrio entre as fases de boretos, da porosidade, da forma da interface e do controle do processo. Cromo, níquel, molibdênio e carbono podem alterar o crescimento dos boretos e a constituição das fases, de modo que o mesmo tratamento nominal não é transferível para todas as classes de aço. Uma elevada dureza superficial pode favorecer a resistência ao desgaste abrasivo, mas a fratura ou o desplacamento podem dominar se a camada for espessa demais, frágil demais, mal suportada ou submetida a carregamento de impacto.

As tensões residuais surgem tanto da expansão química durante a absorção de boro quanto do ciclo térmico. Elas interagem com danos de retificação, resistência do núcleo e carregamento em serviço. Consequentemente, um perfil de dureza em seção transversal deve ser acompanhado de metalografia que identifique FeB, Fe₂B, poros, trincas e a transição para o substrato afetado pela difusão. A difração de raios X pode ajudar a identificar fases e tensões residuais, enquanto os ensaios de desgaste devem reproduzir o contracorpo e a carga; o desempenho dos boretos não pode ser inferido apenas pela dureza.

Cromização e superfícies enriquecidas com elementos

A cromização introduz cromo na superfície por meio de um processo de difusão em alta temperatura. São possíveis métodos de cementação em caixa, sais fundidos, fase gasosa e métodos assistidos por plasma, embora a química da reação e os equipamentos sejam diferentes. O cromo pode permanecer como uma solução sólida enriquecida em cromo, reagir com o carbono para formar carbonetos ricos em cromo ou produzir uma camada mista de difusão e reação. O resultado depende fortemente do teor de carbono, dos elementos de liga, da temperatura, do tempo e do potencial químico do cromo.

Essa distinção separa a cromização da cromagem. A cromização é um tratamento termoquímico de difusão: a composição superficial se altera abaixo da interface original, em vez de receber apenas um filme depositado. Em um aço contendo carbono, podem formar-se carbonetos ricos em cromo próximos à superfície; em outras composições, podem predominar o enriquecimento em cromo e a difusão para a ferrita ou a austenita. A constituição das fases afeta a dureza, a tenacidade, o atrito, o comportamento à oxidação e a resposta à corrosão.

A cromização pode ser atrativa quando um componente necessita de uma superfície enriquecida com cromo, resistente a determinados tipos de desgaste, à oxidação ou a ambientes corrosivos, mas não é um substituto universal para a nitretação ou a cementação. A exposição a altas temperaturas pode alterar a microestrutura do núcleo, causar crescimento de grão, modificar as dimensões ou produzir tensões residuais durante o resfriamento. Camadas ricas em carbonetos também podem ser frágeis, e a aderência depende de um perfil gradual de composição e de um substrato íntegro, e não apenas do teor de cromo.

A verificação deve, portanto, combinar a medição metalográfica da zona de difusão ou reação com uma análise sensível à composição, como espectroscopia de energia dispersiva, análise por descarga luminosa ou outro método qualificado. Os perfis de dureza mostram a resposta mecânica, mas não podem identificar carbonetos de cromo nem distingui-los de uma solução sólida rica em cromo. A ISO 18203:2026 é útil para a lógica geral de medição aplicada a camadas endurecidas termoquimicamente, enquanto o relatório deve indicar a definição escolhida para a espessura da camada cromizada e as evidências de fases que a fundamentam. Nos três tratamentos, a pergunta correta não é “qual é a dureza da superfície?”. A questão é quais espécies penetraram, quais fases se formaram, como a camada é suportada e se essa estrutura corresponde ao modo real de falha do componente.

Endurecimento Térmico Localizado: Chama, Indução, Feixe de Elétrons e Laser

A ISO 18203:2026 classifica o endurecimento por chama, o endurecimento por indução, o endurecimento por feixe de elétrons e o endurecimento a laser juntamente com a cementação, a carbonitretação e a nitretação como métodos para produzir camadas endurecidas superficialmente. Essa classificação é importante. O endurecimento superficial não consiste em um único ciclo térmico e não é sinônimo de cementação. A ASM International o define como o tratamento de um material ferroso de modo que sua camada superficial, ou camada endurecida, se torne substancialmente mais dura que o núcleo. Um método térmico localizado normalmente não altera o teor de carbono nem a composição da liga na superfície. Em vez disso, aquece rapidamente o aço existente até a faixa austenítica e, depois, transforma essa austenita em martensita por têmpera por auto-resfriamento ou por uma têmpera aplicada.

O resultado depende fortemente do material de partida. Um aço de médio teor de carbono, como o AISI 1045, pode formar uma superfície martensítica dura, mas sua profundidade de endurecimento é limitada pelo teor de carbono e pela temperabilidade. Um aço cromo-molibdênio, como o AISI 4140 ou o EN 42CrMo4, pode endurecer a uma distância maior da superfície aquecida, pois os elementos de liga retardam a formação de perlita e bainita durante o resfriamento. Portanto, um processo térmico não pode proporcionar a mesma profundidade de camada endurecida em todos os aços simplesmente aumentando a potência ou o tempo de exposição. Se o interior resfriar muito lentamente, a parte inferior da zona aquecida poderá conter bainita, perlita ou martensita revenida, em vez de martensita totalmente endurecida.

Austenitização superficial e auto-resfriamento

O endurecimento por chama, por indução, por feixe de elétrons e a laser começa com uma operação localizada de austenitização. A superfície é elevada acima da temperatura crítica relevante, comumente acima de Ac3 para um aço hipoeutetoide, enquanto o volume do material permanece abaixo dessa temperatura. Em seguida, a camada aquecida resfria através das faixas de início e de fim da formação da martensita. Em muitas aplicações, o núcleo frio extrai calor com rapidez suficiente para proporcionar o auto-resfriamento. Água, polímero, óleo ou gás também podem ser pulverizados para aumentar e controlar a taxa de resfriamento.

O auto-resfriamento não é uma garantia automática de dureza uniforme. Um eixo grande tem maior capacidade de absorção de calor que um flange fino; um canto agudo perde calor em várias direções; e uma operação de usinagem anterior pode alterar a condição da superfície e o fluxo de calor. A superfície pode se tornar martensítica, enquanto a zona de transição contém estruturas mistas. Temperatura ou tempo de permanência excessivos na austenitização podem engrossar os grãos de austenita, dissolver carbonetos úteis, aumentar a austenita retida e ampliar a região afetada pelo calor. Um aquecimento insuficiente pode deixar ferrita não dissolvida ou produzir um padrão de dureza que acompanha o campo de aquecimento, em vez da geometria pretendida.

O ciclo térmico também gera tensão residual. A martensita ocupa mais volume que a austenita de origem, enquanto a superfície e o núcleo resfriam e se transformam em momentos diferentes. A tensão residual compressiva na superfície pode melhorar a resistência ao início de trincas e à fadiga de contato, mas a tensão de tração ou um gradiente acentuado de tensão pode promover distorção e trincamento. O sinal e a magnitude não podem ser inferidos apenas pela dureza. A geometria, a restrição, a severidade da têmpera, a composição da liga e o revenimento contribuem para o resultado.

O endurecimento por chama utiliza uma chama oxicombustível deslocada sobre o componente, seguida de auto-resfriamento ou de uma pulverização separada. É adequado para superfícies grandes e padrões de produção que permitam reparos, mas a posição da chama, o fluxo de gás, a velocidade de deslocamento e o controle pelo operador ou pela máquina afetam a repetibilidade. O aquecimento por indução utiliza um campo eletromagnético alternado gerado por uma bobina. A frequência e a potência determinam a distribuição do aquecimento elétrico, enquanto o formato da bobina determina se serão aquecidos um eixo, um dente, uma pista ou uma face selecionada. Assim, a indução pode produzir padrões repetitivos com ciclos curtos e exposição geral limitada ao aquecimento em forno.

Endurecimento por indução versus cementação e nitretação

O endurecimento por indução preserva a composição superficial original do aço. Um aço com 0,40% de carbono permanece aproximadamente nesse nível de carbono na superfície; apenas sua fase e sua dureza se alteram. A cementação realiza algo diferente: o carbono se difunde em um aço com menor teor de carbono, criando uma superfície com alto teor de carbono sobre um interior com baixo teor de carbono. Após a austenitização e a têmpera, esse gradiente permite obter uma camada endurecida martensítica com um núcleo mais tenaz e com menor teor de carbono. A camada cementada pode ser substancialmente mais profunda que uma camada típica produzida por indução, embora a profundidade exata dependa da temperatura, do tempo, da atmosfera, do tipo de aço e da têmpera.

A carbonitretação adiciona carbono e nitrogênio à austenita e normalmente produz uma camada endurecida martensítica. A nitrocarbonetação não é simplesmente um ciclo de carbonitretação mais curto: carbono e nitrogênio se difundem na ferrita abaixo da temperatura crítica, formando comumente uma camada de compostos de ferro-carbono-nitrogênio sobre uma zona de difusão enriquecida com nitrogênio. A nitretação também opera abaixo da faixa de transformação e forma nitretos de liga em aços adequados. Esses métodos termoquímicos alteram a composição; o endurecimento por indução, em geral, não.

Essa distinção determina a seleção do material. A indução requer carbono suficiente para a dureza martensítica desejada e temperabilidade suficiente para a profundidade especificada. A cementação pode utilizar um aço de núcleo com baixo teor de carbono, como um aço para cementação, porque o carbono é fornecido na superfície. A nitretação depende especialmente de elementos formadores de nitretos, como alumínio, cromo, molibdênio ou vanádio, e não requer o mesmo ciclo de têmpera austenítica. Um aço de baixa liga que responda fracamente à indução ainda pode receber uma camada nitretada útil, enquanto uma composição que não forme nitretos pode não produzir a resposta de nitretação pretendida.

A indução geralmente oferece melhor controle posicional e menor distorção total que um ciclo prolongado de cementação, pois apenas regiões selecionadas são aquecidas e o componente permanece menos tempo em temperatura elevada. Isso não significa ausência de distorção. O acoplamento desigual da bobina, a espessura assimétrica da seção, o atraso na têmpera e a tensão de transformação podem curvar eixos ou alterar a geometria dos dentes. A cementação produz gradientes mais amplos de composição e transformação e pode causar crescimento dimensional, austenita retida e distorção de têmpera, mas pode proporcionar camadas profundas capazes de suportar carga. A nitretação e a nitrocarbonetação ferrítica evitam a austenitização e a têmpera do volume do material, de modo que a alteração dimensional costuma ser menor; contudo, a camada de compostos e a zona de difusão devem ser controladas de acordo com o ambiente pretendido de desgaste, atrito ou tribocorrosão.

Camadas endurecidas por feixe e laser

O endurecimento por feixe de elétrons e a laser concentram a energia de forma ainda mais precisa que a chama ou a indução convencional. Um feixe de elétrons transfere energia no vácuo e pode criar trilhas austenitizadas estreitas e posicionadas com precisão. O endurecimento a laser utiliza um feixe óptico absorvido, frequentemente varrido sobre uma superfície com a potência, o tamanho do ponto e a velocidade de deslocamento ajustados para manter um perfil térmico controlado. Ambos os métodos podem seguir trajetórias complexas, tratar dentes ou pistas de deslizamento selecionados e deixar o material adjacente próximo de sua condição original. Suas camadas geralmente são rasas em comparação com uma camada cementada profunda, embora o tamanho do feixe, a densidade de energia, a taxa de varredura, o tipo de aço e a extração de calor determinem a profundidade real.

O processamento por feixe pode produzir gradientes térmicos acentuados. O resfriamento rápido pode criar martensita fina e uma zona de transição estreita, com pouca oportunidade para crescimento de grão quando o ciclo é controlado corretamente. Também pode criar tensão residual de tração local, fusão superficial, aquecimento insuficiente ou faixas de sobreposição amolecidas se a entrada de energia não for adequadamente ajustada ao material. O endurecimento a laser normalmente busca permanecer abaixo do ponto de fusão; a fusão ou a liga superficial a laser constituem operações diferentes e não devem ser relatadas como endurecimento a laser convencional. O processamento por feixe de elétrons também exige o controle do vácuo, do foco do feixe, da velocidade de deslocamento e da geometria da peça.

A verificação deve medir mais que um único valor de dureza superficial. A ISO 18203:2026 trata da espessura das camadas endurecidas superficialmente produzidas por esses métodos térmicos, bem como por cementação, carbonitretação e nitretação. Um perfil de dureza da superfície em direção ao núcleo pode localizar a transição, enquanto a metalografia pode distinguir martensita de ferrita, bainita, austenita retida, camadas de compostos, carbonetos e nitretos. A ISO 2639:2002 aplica-se especificamente à determinação e à verificação da profundidade da camada cementada e endurecida e utiliza a condição de dureza inferior a 450 HV 1 a três vezes a profundidade da camada endurecida. Esse critério não deve ser transferido de forma acrítica para todo perfil produzido por laser ou indução. O método de dureza especificado, a carga, a orientação da seção, a geometria do padrão, a tensão residual, a distorção e a condição funcional de contato devem ser compatíveis com o tratamento avaliado.

Seleção do Aço e a Relação entre a Camada Superficial e o Núcleo

O endurecimento superficial é o tratamento de um material ferroso para que sua camada superficial, ou camada endurecida, se torne substancialmente mais dura que o núcleo, conforme definido pela ASM International. Essa definição descreve uma diferença de propriedades, não um ciclo específico de forno nem uma determinada família de ligas. A seleção do aço determina qual diferença pode ser produzida, até que profundidade ela se estende e se o núcleo permanece tenaz depois do endurecimento da superfície.

A condição inicial é tão importante quanto a designação nominal do grau. A redução na forja, a direção de laminação, o recozimento, a normalização, a têmpera e o revenimento prévios, o tamanho de grão, a segregação e a sobremedida de usinagem afetam a resposta. Um ciclo de cementação aplicado a uma peça bruta normalizada de granulação fina não produz exatamente a mesma distorção ou estrutura do núcleo que o mesmo ciclo aplicado a um componente de granulação grosseira e submetido a intenso trabalho a frio. Portanto, as especificações do tratamento precisam incluir, em conjunto, a designação do grau, o tamanho da seção, o processamento anterior, a profundidade de camada desejada, a dureza ou resistência do núcleo e a distorção admissível.

Aços de baixo carbono para camadas cementadas

A cementação é adequada para aços com carbono suficiente para desenvolver um interior martensítico útil após a têmpera, mas não em quantidade tão elevada que todo o componente se torne excessivamente duro ou frágil. O processo introduz carbono na superfície austenítica em temperatura elevada, criando uma camada de alto carbono sobre um interior de menor teor de carbono. Após a cementação, o componente é endurecido por austenitização e têmpera, frequentemente seguidas de revenimento em baixa temperatura. A superfície pode então conter martensita de alto carbono, austenita retida e carbonetos, enquanto o núcleo desenvolve uma estrutura martensítica, bainítica ou mista de menor teor de carbono, de acordo com sua temperabilidade e o tamanho da seção.

Entre os aços comuns para cementação estão SAE 1020, SAE 8620, SAE 4320, AISI 9310, EN 10084 16MnCr5 e EN 10084 20MnCr5. Essas designações não significam que todo grau listado produzirá a mesma camada. O SAE 1020 tem teor de elementos de liga relativamente baixo e temperabilidade limitada no núcleo; portanto, uma seção espessa pode conservar ferrita e perlita ou bainita sob a camada após a têmpera. SAE 8620 e 4320 contêm cromo, níquel e molibdênio em combinações que aumentam a temperabilidade e favorecem um núcleo mais resistente em seções maiores. O AISI 9310, com níquel, cromo e molibdênio, é utilizado quando são necessárias uma camada profunda e elevada resistência do núcleo, mas ainda exige controle da austenitização, da têmpera e do revenimento.

O potencial de carbono e a temperatura de cementação devem ser selecionados considerando o teor de elementos de liga do aço e o teor de carbono superficial necessário. Um teor excessivo de carbono na superfície pode promover redes de carbonetos, excesso de austenita retida e instabilidade dimensional, em vez de produzir uma superfície de trabalho melhor. O gradiente de carbono também é importante: uma transição abrupta pode concentrar tensões, enquanto uma camada adequadamente graduada transfere a carga para o núcleo de maneira mais gradual. A profundidade efetiva da camada não pode ser inferida apenas pela dureza superficial.

Os componentes cementados são frequentemente especificados tanto pela profundidade efetiva da camada quanto pelas propriedades do núcleo. A ISO 2639:2002 aborda a determinação e a verificação da profundidade de camadas cementadas e endurecidas, utilizando um critério de dureza inferior a 450 HV 1 a três vezes a profundidade da camada para definir a aplicabilidade. Portanto, um perfil de dureza da superfície em direção ao centro é mais informativo do que uma única leitura Rockwell ou Vickers na superfície. Também pode ser necessário realizar exame metalográfico para identificar oxidação, precipitação de carbonetos, austenita retida, descarbonetação e uma zona de transição desfavorável.

Efeitos dos elementos de liga na nitretação e no endurecimento por indução

A nitretação e a nitrocarbonetação ferrítica não exigem a mesma composição química do aço nem o mesmo ciclo de fases que a cementação. Durante a nitretação, o nitrogênio difunde-se na ferrita abaixo da temperatura crítica, enquanto, durante a nitrocarbonetação ferrítica, carbono e nitrogênio se difundem na ferrita. A superfície resultante pode conter uma camada de compostos formada por nitretos de ferro, comumente descrita por meio de fases como ε-Fe₂–₃N e γ′-Fe₄N, sobre uma zona de difusão contendo nitretos de elementos de liga. O núcleo não é transformado em martensita de alto carbono pelo tratamento. Sua condição preexistente já deve proporcionar a resistência e a tenacidade necessárias.

Alumínio, cromo, molibdênio e vanádio são elementos importantes formadores de nitretos. Eles produzem nitretos de elementos de liga finos e dispersos, que aumentam a dureza da zona de difusão e melhoram a resistência à deformação plástica. Aços como EN 10085 31CrMoV9 e EN 10085 34CrAlNi7-10 estão associados a aplicações de nitretação porque o cromo, o molibdênio, o vanádio e, neste último grau, o alumínio favorecem a formação de nitretos. Aços carbono comuns podem absorver nitrogênio, mas, em geral, não desenvolvem a mesma resposta estável de endurecimento por nitretos de elementos de liga. Dar ênfase excessiva à dureza superficial também pode ocultar o papel da camada de compostos no atrito, no desgaste, na corrosão e na gripagem; sua espessura e seu equilíbrio de fases devem ser compatíveis com o contato.

A nitretação é normalmente realizada em aço temperado e revenido. A temperatura de revenimento deve exceder a temperatura de nitretação planejada; caso contrário, o núcleo poderá amolecer durante o tratamento. Essa exigência demonstra por que um grau de aço não pode ser selecionado independentemente da sequência do processo. Um aço que tenha a resistência à tração correta antes da nitretação pode perder parte dessa resistência se sua condição de revenimento for inadequada.

O endurecimento por indução é diferente novamente. Ele não adiciona quantidades significativas de carbono ou nitrogênio; em vez disso, o aquecimento eletromagnético localizado forma austenita na composição existente da superfície, seguido de auto-têmpera ou têmpera externa para produzir martensita. A ISO 18203:2026 abrange camadas endurecidas superficialmente produzidas por endurecimento por chama, indução, feixe de elétrons e laser, bem como camadas provenientes de cementação, carbonitretação e nitretação. No endurecimento por indução, o teor de carbono, a distribuição prévia de perlita ou ferrita, o tamanho de grão, as propriedades elétricas, a frequência, a densidade de potência, a velocidade de varredura e o atraso da têmpera influenciam o perfil endurecido.

O AISI 1045 normalmente é capaz de produzir uma camada endurecida por indução útil em seções adequadas, enquanto o AISI 4140 proporciona maior temperabilidade do núcleo devido ao cromo e ao molibdênio. O mesmo ciclo de aquecimento não pode ser transferido entre esses graus sem verificar a profundidade austenitizada, a severidade da têmpera e a sensibilidade a trincas. Uma superfície que atinja dureza martensítica ainda pode falhar se a transição for excessivamente abrupta ou se o núcleo não tratado não tiver resistência suficiente.

Temperabilidade, tenacidade e tamanho da seção do núcleo

TemperabilidadeTemperabilidade Capacidade de um aço de desenvolver martensita até determinada profundidade durante o resfriamento; ela é distinta da dureza da martensita formada.

Temperabilidade é a capacidade de formar martensita ao longo de uma determinada seção durante a têmpera; não é o mesmo que dureza. O carbono controla em grande parte a dureza da martensita, enquanto elementos de liga como manganês, cromo, níquel e molibdênio geralmente retardam a transformação perlítica e bainítica e aumentam a temperabilidade. A resposta ao ensaio Jominy de têmpera na extremidade e uma curva de resfriamento calculada ou medida podem ajudar a relacionar o grau e o tamanho da seção à estrutura resultante do núcleo.

Uma engrenagem fina fabricada com SAE 8620 pode desenvolver um núcleo predominantemente martensítico, enquanto um eixo espesso fabricado com a mesma corrida de aço pode conter bainita ou ferrita de menor dureza próximo ao centro. Essa diferença afeta a resistência à fadiga, a resposta ao impacto, a alteração dimensional e o suporte fornecido à camada sob contato de rolamento ou deslizamento. Uma camada muito dura sobre um núcleo fraco pode sofrer colapso ou trincar, ou permitir fadiga subsuperficial, mesmo quando o certificado de dureza superficial parece satisfatório.

A tenacidade também impõe limites. O aumento do teor de carbono e de elementos de liga pode elevar a dureza do núcleo, mas reduzir a tolerância a entalhes, danos de retificação e tensões de têmpera. O níquel frequentemente favorece a tenacidade, enquanto a formação excessiva de carbonetos ou os grãos austeníticos grosseiros podem prejudicá-la. O compromisso necessário depende do modo de carregamento: um dente de engrenagem cementado, um munhão de virabrequim nitretado e um componente ferroviário endurecido por indução não impõem as mesmas exigências.

O tamanho da seção controla a velocidade de resfriamento e, consequentemente, a transformação do núcleo. A severidade da têmpera, a orientação da peça, a seleção de óleo ou polímero, a agitação e a têmpera interrompida ou sob pressão afetam a distorção e a tensão residual. A usinagem prévia e a geometria local também são importantes; ressaltos vivos, rasgos de chaveta e dentes finos aquecem e resfriam de modo diferente de cubos ou eixos. Para peças sensíveis à distorção, pode-se selecionar um aço de menor temperabilidade com um tratamento mais superficial, ou combinar um grau de maior temperabilidade com uma têmpera menos severa, mas nenhuma dessas escolhas é segura sem ensaios.

A verificação deve relacionar a camada especificada à função real do componente. Perfis de dureza, dureza do núcleo, metalografia, medição da austenita retida, inspeção dimensional e ensaio de trincas podem ser necessários. A ISO 18203:2026 fornece uma estrutura para a medição da espessura de camadas endurecidas superficialmente por métodos térmicos e termoquímicos; a ISO 2639:2002 é especificamente relevante para a profundidade de camadas cementadas e endurecidas. O princípio fundamental é simples: profundidade da camada, estrutura da camada, tensão residual e condição do núcleo constituem um único problema de projeto. Uma camada dura não pode compensar um núcleo inadequado.

Profundidade da Camada, Perfis de Dureza e Verificação segundo a ISO

Um valor de dureza superficial não é uma medição da profundidade da camada. O endurecimento superficial é definido pela ASM International como o tratamento de um material ferroso para que sua camada superficial, ou camada endurecida, se torne substancialmente mais dura que o núcleo. Essa definição torna o gradiente de dureza fundamental: a questão importante não é apenas o grau de dureza da superfície, mas como a dureza varia com a distância em relação à superfície e onde termina a camada endurecida.

A resposta depende do tratamento. A cementação adiciona carbono a um núcleo com teor de carbono relativamente baixo, normalmente seguida de austenitização e têmpera, de modo que a superfície enriquecida se transforme principalmente em martensita. A carbonitretação adiciona carbono e nitrogênio à austenita e também normalmente produz uma camada martensítica. A nitretação e a nitrocarbonetação ferrítica operam abaixo da temperatura crítica de transformação, permitindo que o nitrogênio, ou o nitrogênio e o carbono, se difundam na ferrita. Suas zonas de difusão, camadas de compostos, precipitados e gradientes de dureza não podem ser interpretados como se fossem martensita cementada.

A têmpera por chama, indução, feixe de elétrons e laser não introduz nenhuma alteração necessária na composição química da superfície. Esses processos aquecem localmente uma composição já existente e dependem da formação de austenita, seguida de auto-têmpera ou têmpera aplicada. A camada martensítica resultante pode apresentar uma transição nítida para o núcleo, enquanto uma camada cementada geralmente apresenta um gradiente dependente do carbono e pode incluir austenita retida, carbonetos ou outros produtos de transformação. A boretação e a cromização produzem ainda outro tipo de camada superficial, frequentemente dominada por zonas de reação duras contendo boretos ou crometos, em vez de uma camada martensítica convencional enriquecida em carbono.

Consequentemente, a “profundidade da camada endurecida” deve estar vinculada a uma definição declarada, à carga de medição, à orientação e ao critério de aceitação. Uma profundidade de processo registrada em uma especificação de forno ou de indução não comprova a profundidade medida no componente acabado.

ISO 18203:2026 e a espessura da camada superficial endurecida

A ISO 18203:2026 fornece uma estrutura ampla para determinar a espessura de camadas superficiais endurecidas produzidas por métodos térmicos e termoquímicos. Seu escopo declarado inclui têmpera por chama, indução, feixe de elétrons e laser, juntamente com carbonitretação, cementação e nitretação. Esse escopo é importante porque rejeita a suposição comum de que o endurecimento da camada significa apenas cementação.

Nos tratamentos térmicos localizados, a camada endurecida é criada por um ciclo de temperatura e uma transformação de fase. A medição normalmente é realizada por meio de um perfil de dureza que parte da superfície em direção ao material não afetado. A profundidade é então determinada de acordo com a transição de dureza ou com outro limite especificado no procedimento aplicável. Nos tratamentos termoquímicos, a camada medida pode ser definida por dureza, metalografia, composição química ou uma combinação desses critérios, dependendo do processo e da finalidade da inspeção.

A ISO 18203:2026 deve, portanto, ser interpretada como uma estrutura de medição, e não como uma afirmação de que um único critério numérico se aplica de forma idêntica a todo aço e tratamento. Uma camada nitretada pode conter uma fina camada de compostos sobre uma zona de difusão. A camada de compostos pode ser mais dura que a zona de difusão subjacente, mas não é automaticamente intercambiável com a profundidade total de nitretação. Na nitrocarbonetação ferrítica, a camada branca e a zona de difusão podem precisar ser apresentadas separadamente. Uma camada cementada e temperada, por outro lado, pode ser avaliada por meio de um perfil gradual de dureza que se estende da alta dureza superficial em direção ao núcleo.

O exame metalográfico pode localizar limites visíveis, como uma interface entre uma camada de compostos e a zona de difusão, um limite de transformação ou uma mudança na resposta ao ataque metalográfico. Um limite definido por dureza é diferente. Trata-se de uma localização calculada a partir de um perfil de indentações e de uma dureza-limite especificada. Os dois limites podem não coincidir. Uma transição visível pode ser quimicamente ou estruturalmente significativa e, ao mesmo tempo, produzir pouca alteração na dureza; inversamente, uma redução da dureza pode se estender além de um limite que parece distinto na seção transversal atacada.

Essa distinção é particularmente importante após a têmpera por indução, chama, feixe de elétrons ou laser. O limite metalográfico entre a martensita e o núcleo original pode ser irregular devido aos gradientes de temperatura, à microestrutura preexistente e às condições de têmpera. Um perfil de dureza pode posicionar a transição funcional a uma distância diferente. A direção da medição também é relevante: um componente com espessura de seção variável, curvatura ou zonas aquecidas sobrepostas pode não apresentar uma espessura constante de camada endurecida.

A ISO 18203:2026, portanto, apoia uma apresentação dos resultados que identifique o método utilizado, a localização do perfil ou da seção, a escala e a carga de dureza e a definição usada para a espessura. “Profundidade da camada endurecida: 1,2 mm” é uma informação incompleta, a menos que o relatório indique se esse valor corresponde a uma profundidade definida por dureza, a uma profundidade metalográfica, à espessura total da camada ou a um objetivo especificado para o processo.

ISO 2639:2002 e a profundidade da camada cementada

A ISO 2639:2002 é específica para determinar e verificar a profundidade de camadas cementadas e endurecidas. Ela não é um método universal para camadas nitretadas, nitrocarbonetadas, boretadas ou endurecidas a laser. Sua abordagem conhecida para a profundidade efetiva baseia-se em um perfil de dureza, sendo a profundidade efetiva normalmente considerada até o ponto em que a dureza cai para 550 HV 1. A condição de aplicabilidade da norma também deve ser declarada: a dureza deve ser inferior a 450 HV 1 a três vezes a profundidade da camada.

HV 1HV 1 Medição de dureza Vickers realizada com uma força de ensaio nominal de 1 kgf, aproximadamente 9.807 N.

Essa condição impede que o método seja aplicado sem qualificação quando o núcleo permanece muito duro ou quando o perfil de dureza não proporciona a separação esperada entre a camada e o núcleo. A notação HV 1 identifica a dureza Vickers medida com uma força de ensaio de 1 kgf, aproximadamente 9,807 N. A carga não é um detalhe meramente formal. A alteração da força modifica o tamanho da indentação, a sensibilidade às fases locais e, às vezes, o valor registrado, especialmente próximo à superfície, a um carboneto, a um poro ou a um limite microestrutural acentuado.

A ISO 2639:2002 é adequada ao aço cementado porque a cementação normalmente produz um gradiente de dureza associado à concentração de carbono e à transformação subsequente durante a têmpera. Um núcleo com baixo teor de carbono pode permanecer abaixo da dureza-limite, enquanto a superfície rica em carbono forma martensita de alto carbono. O perfil pode então mostrar uma redução gradual da superfície até o núcleo, e a interpolação pode localizar o limite de dureza especificado com mais precisão do que o espaçamento entre indentações individuais.

O resultado é a profundidade efetiva medida da camada, e não necessariamente a profundidade pretendida pelo ciclo de cementação. A temperatura do forno, o potencial de carbono, o tempo, a composição do aço, a estrutura de grãos preexistente, a severidade da têmpera, o revenimento e a condição da superfície influenciam o perfil final. Um componente pode atender a uma profundidade de processo calculada a partir do tempo de difusão e ainda assim não atender ao requisito de dureza porque a têmpera produziu bainita em excesso ou porque o revenimento reduziu a dureza superficial. Inversamente, uma elevada dureza superficial não comprova que exista material endurecido suficiente abaixo dela.

As camadas carbonitretadas exigem atenção. A ISO 2639:2002 trata de camadas cementadas e endurecidas, enquanto a carbonitretação introduz carbono e nitrogênio e pode alterar a temperabilidade, a austenita retida, os precipitados e o formato do perfil de dureza. Se a norma for aplicada a um produto carbonitretado, o desenho, a especificação ou o plano de inspeção deverá tornar essa aplicabilidade explícita; o resultado não deve ser apresentado como se a carbonitretação e a cementação produzissem microestruturas idênticas.

“Profundidade total da camada” e “profundidade efetiva da camada” também são termos diferentes. A profundidade total da camada pode significar a camada completa alterada química ou metalurgicamente, incluindo regiões cuja dureza esteja abaixo do limite efetivo. A profundidade efetiva da camada é uma convenção vinculada a um critério de dureza, como 550 HV 1 para uma camada cementada e endurecida. Nenhum dos dois termos equivale automaticamente à distância de difusão do carbono. Um perfil de carbono medido por análise química pode se estender além da profundidade que atende a um requisito de dureza, particularmente quando o núcleo apresenta baixa temperabilidade ou quando a têmpera produz produtos de transformação mistos.

HV 1, perfis de dureza e o critério de 450 HV 1

Um perfil de dureza Vickers consiste em uma sequência de indentações que parte da superfície tratada em direção ao núcleo. O espaçamento deve ser suficientemente pequeno para resolver o gradiente e suficientemente grande para impedir que indentações vizinhas ou a borda da superfície influenciem umas às outras. A primeira indentação normalmente não é posicionada diretamente na borda, pois os efeitos de borda, a descarbonetação, a oxidação, a rugosidade e a curvatura podem distorcer o valor.

O relatório deve registrar a orientação da seção, a preparação da superfície, a distância de cada indentação em relação à superfície, os resultados em HV 1 e o método utilizado para calcular o limite. Uma única leitura superficial não pode revelar se o perfil diminui gradualmente, se contém um pico de dureza sobre uma subsuperfície macia ou se atinge um patamar causado por uma camada de compostos. Vários perfis podem ser necessários em um dente de engrenagem, eixo ou seção irregular, porque o aquecimento, a cementação e a têmpera raramente são uniformes em geometrias complexas.

Para uma camada cementada avaliada segundo a ISO 2639:2002, o critério de profundidade efetiva de 550 HV 1 e a condição de dureza inferior a 450 HV 1 a três vezes a profundidade da camada não devem ser confundidos. O valor de 550 HV 1 localiza o limite efetivo especificado; a condição de 450 HV 1 estabelece se o perfil de dureza é adequado para a aplicação do método. Esta última não é uma definição universal de profundidade da camada, nem significa que toda camada deva terminar em 450 HV 1.

A nitretação ilustra por que essa distinção é importante. A precipitação de nitretos pode criar uma elevada dureza superficial que diminui ao longo de uma extensa zona de difusão, enquanto o núcleo pode conservar uma dureza relativamente alta. Um limite de 450 HV 1 ou 550 HV 1 pode ser inadequado para descrever a camada nitretada funcional. Pode ser necessário realizar exame metalográfico, análise do perfil de nitrogênio, identificação microestrutural ou aplicar um critério de dureza específico do processo. A mesma cautela se aplica à nitrocarbonetação ferrítica, na qual a espessura da camada de compostos e a profundidade da zona de difusão devem ser apresentadas separadamente quando ambas influenciam o comportamento em serviço.

A verificação deve, portanto, corresponder ao tratamento e à propriedade alegada. Perfis de dureza são poderosos para camadas endurecidas por transformação, mas não substituem a metalografia ou o perfilamento químico quando a fronteira relevante é composicional ou baseada em fases. A ISO 18203:2026 fornece a estrutura mais ampla; a ISO 2639:2002 fornece um método definido para camadas cementadas. Nenhuma das duas normas transforma “profundidade da camada” em um número autoexplicativo.

Metalografia: interpretação da camada endurecida

Um perfil de dureza fornece um perfil, não uma explicação microestrutural. A metalografia mostra por que o perfil tem esse formato: se a camada contém martensita de alto carbono, bainita, carbonetos, nitretos ou austenita retida; se a transição para o núcleo é gradual ou abrupta; e se defeitos interromperam a camada endurecida. As orientações de metalografia da ASM International tratam o exame microscópico como um meio de relacionar o processamento, a constituição de fases e os defeitos ao comportamento em serviço, e não como uma confirmação meramente decorativa da dureza.

Essa distinção é importante porque a ASM define o endurecimento superficial como o tratamento de um material ferroso de modo que sua camada superficial, ou camada endurecida, se torne substancialmente mais dura que o núcleo. A superfície pode ter sido enriquecida com carbono, nitrogênio ou ambos, ou uma composição existente pode ter sido transformada por aquecimento localizado. A microestrutura resultante depende da temperatura do processo, da velocidade de resfriamento, do teor de elementos de liga e do revenimento subsequente.

Corte, embutimento, polimento e ataque químico

A amostra deve representar a superfície funcional e sua orientação. Normalmente, corta-se uma seção transversal perpendicular à superfície tratada, com material suficiente atrás da camada para incluir o núcleo. O corte deve limitar o aquecimento e a deformação mecânica; uma borda queimada ou espalhada pode se assemelhar a um defeito de processo e ocultar a verdadeira interface. Em um dente de engrenagem, eixo ou pista de rolamento, a localização da seção também é importante, pois a curvatura, a espessura da seção e as condições locais de resfriamento afetam a camada.

Pequenas peças são embutidas em resina, seja resina de compressão a quente, seja um sistema de cura a frio. O material de embutimento deve sustentar bordas finas sem preencher trincas nem arrancar camadas compostas frágeis. O desbaste prossegue com abrasivos progressivamente mais finos, seguido de polimento com suspensões de diamante ou sílica coloidal. Pressão excessiva pode achatar a superfície, arrastar austenita retida macia ou espalhar nitretos e carbonetos pela seção. O polimento final é, portanto, uma etapa metalúrgica, e não apenas uma preparação para fotografia.

O ataque químico revela limites de fases e gradientes composicionais ao atacar preferencialmente diferentes regiões. Uma solução de nital a 2% é comumente utilizada para aços carbono e aços de baixa liga, enquanto o picral ou outros reagentes podem proporcionar melhor contraste entre martensita revenida, bainita e carbonetos. O nital pode fazer com que uma película de óxido, uma camada descarbonetada ou uma região de austenita retida levemente atacada pareça enganosamente sem características. Superfícies nitretadas e nitrocarbonetadas frequentemente exigem polimento cuidadoso e um reagente adequado, pois a camada composta é fina, dura e facilmente fraturada ou arrancada.

Também deve ser examinada a condição polida e não atacada. Ela pode revelar poros, trincas, inclusões, películas de óxido, separação da camada composta e arrancamentos provocados pelo polimento que uma imagem após ataque químico pode ocultar. A microscopia óptica geralmente é suficiente para perfis de camada e principais produtos de transformação; microscopia eletrônica de varredura, difração de elétrons retroespalhados, análise por microssonda ou difração de raios X podem ser necessárias quando a identificação de fases ou a distribuição de nitrogênio não puder ser resolvida opticamente.

Martensita, bainita, carbonetos, nitretos e austenita retida

Uma camada cementada normalmente apresenta martensita de alto carbono após a austenitização e a têmpera, frequentemente com alguma austenita retida e partículas de carboneto. A superfície pode ser mais grosseira ou conter mais elementos de liga que a região subsuperficial se o potencial de carbono, a temperatura ou o tempo de permanência tiverem sido mal controlados. Um interior com menor teor de carbono transforma-se em uma estrutura martensítica, bainítica ou revenida de menor dureza, de acordo com o grau do aço e a severidade da têmpera. A transição entre a camada e o núcleo deve ser interpretada como uma mudança estrutural, e não simplesmente como uma linha de fronteira.

A carbonitretação introduz carbono e nitrogênio na austenita e normalmente produz uma camada martensítica após a têmpera. O nitrogênio pode melhorar a temperabilidade próxima à superfície, mas um enriquecimento excessivo pode aumentar a austenita retida ou produzir nitretos após o resfriamento. Tanto em aços cementados quanto em aços carbonitretados, carbonetos de elementos de liga não dissolvidos, redes de carbonetos, grãos grosseiros de austenita prévia e produtos de transformação localmente macios indicam um problema de controle do processo ou da liga.

A bainita pode ocorrer sob uma camada martensítica quando o resfriamento é mais lento, em seções espessas ou após uma têmpera interrompida. Sua presença não constitui automaticamente uma falha; sua quantidade, morfologia, dureza e localização determinam sua importância. Uma faixa de ataque escura, por si só, não é uma identificação confiável de fase.

A nitretação difere fundamentalmente da cementação e da carbonitretação. O nitrogênio difunde-se na ferrita abaixo da temperatura crítica, portanto não há uma transformação obrigatória de austenita em martensita por têmpera. A zona de difusão pode conter precipitados de nitretos de elementos de liga em aços que contenham cromo, molibdênio, vanádio ou alumínio, enquanto a superfície pode desenvolver uma camada composta de nitretos de ferro, comumente ε-Fe₂–₃N e γ′-Fe₄N. A nitrocarbonetação ferrítica também introduz carbono e nitrogênio abaixo da temperatura crítica, produzindo normalmente uma camada composta sobre uma zona de difusão de nitrogênio e carbono, em vez de uma camada cementada martensítica.

A austenita retida é especialmente importante em camadas cementadas e carbonitretadas. Ela pode parecer clara após o ataque químico, mas o contraste óptico não é conclusivo. O excesso de austenita retida pode se transformar durante o serviço ou a retificação, alterando as dimensões e as tensões residuais. A difração de raios X, os métodos magnéticos ou a microscopia quantitativa cuidadosamente calibrada podem complementar a metalografia.

Camadas compostas, trincas, porosidade e interfaces

Uma camada composta nitrocarbonetada deve ser avaliada quanto à espessura, continuidade, constituição de fases, porosidade e adesão. Uma camada fina e contínua pode diferir significativamente de uma camada porosa ou trincada, mesmo quando ambas as superfícies apresentam microdureza semelhante. Poros próximos à superfície externa, excesso de fase ε, redes contínuas frágeis e separação na interface entre a camada composta e a zona de difusão podem afetar o atrito, o desgaste e a tribocorrosão. A zona de difusão abaixo dela deve apresentar a precipitação esperada e uma mudança gradual em direção ao núcleo.

As seções cementadas e carbonitretadas devem ser verificadas quanto à descarbonetação, oxidação e oxidação intergranular. A descarbonetação aparece como uma faixa superficial ferrítica ou com baixo teor de martensita e pode reduzir a capacidade de suportar carga. A oxidação intergranular forma-se ao longo dos contornos de grão da austenita prévia próximos à superfície quando atmosferas oxidantes do forno penetram antes que o enriquecimento de carbono esteja completo. Ela pode ser superficial, mas ainda assim prejudicial, pois os contornos oxidados fornecem trajetórias para a iniciação de trincas. Películas de óxido, carepa e inclusões não metálicas não devem ser confundidas com fases da liga.

As trincas de têmpera geralmente são fissuras agudas e irregulares que se estendem a partir da superfície ou de concentradores de tensão, frequentemente com superfícies de fratura recentes e livres de óxido quando se formaram durante a têmpera. A metalografia pode distingui-las de trincas de preparação, que normalmente terminam na superfície polida ou seguem danos provocados pelo embutimento e pelo desbaste. Queimas de retificação podem produzir uma faixa revenida novamente ou reendurecida, uma resposta alterada ao ataque químico e tensão residual de tração, sem criar uma trinca aberta evidente.

Defeitos relacionados à distorção exigem o exame tanto da geometria quanto da estrutura. Uma peça pode apresentar uma microestrutura de camada aceitável, mas não atender aos limites dimensionais porque deformações de transformação desiguais, gradientes térmicos ou tensões residuais causaram empenamento, ovalização ou alteração do perfil do dente. A metalografia não pode medir a distorção por si só; portanto, deve ser associada à inspeção dimensional e, quando necessário, à medição de tensões residuais.

A profundidade metalográfica da camada e a profundidade da camada determinada por dureza estão relacionadas, mas não são intercambiáveis. A ISO 2639:2002 determina a profundidade da camada cementada e endurecida a partir de um perfil de dureza e utiliza um critério especificado que envolve dureza inferior a 450 HV 1 a três vezes a profundidade da camada. A ISO 18203:2026 abrange camadas endurecidas superficialmente por têmpera a chama, por indução, por feixe de elétrons e por laser, além de carbonitretação, cementação e nitretação. Uma micrografia pode identificar a fronteira visível de transformação, a zona de difusão ou a camada composta, enquanto o método de dureza localiza um limiar mecânico especificado. Ambas as descrições são úteis, mas nenhuma deve ser apresentada como se fosse a outra.

Tribologia e tribocorrosão do aço com endurecimento superficial

O endurecimento superficial não corresponde a uma única condição tribológica. A ASM International o define como o tratamento de um material ferroso para que sua camada superficial, ou camada endurecida, se torne substancialmente mais dura que o núcleo. Essa camada mais dura modifica o contato, mas seu efeito depende de como o contato é carregado e de como a superfície foi produzida. Um dente de engrenagem endurecido, submetido a contato lubrificado de rolamento-deslizamento, não falha pelo mesmo processo que um componente de válvula nitretado em lubrificação limítrofe ou um eixo nitrocarbonetado exposto a um eletrólito.

Essa distinção é importante porque os tratamentos de endurecimento superficial introduzem diferentes espécies, fases, profundidades e tensões residuais. A cementação produz uma superfície com alto teor de carbono sobre um interior com menor teor de carbono, normalmente seguida de austenitização, têmpera e revenimento para formar uma camada martensítica profunda. A carbonitretação adiciona carbono e nitrogênio à austenita e normalmente depende da formação de martensita. A nitretação introduz nitrogênio na ferrita, enquanto a nitrocarbonetação ferrítica introduz carbono e nitrogênio abaixo da temperatura crítica. Os últimos tratamentos podem produzir uma zona de difusão de nitrogênio e, quando as condições do processo permitem, uma camada de compostos de ferro-carbono-nitrogênio. Seu comportamento em relação ao atrito e à corrosão não pode ser inferido a partir do aço cementado apenas porque todos são chamados de aços com endurecimento superficial.

Mecanismos de desgaste e fadiga de contato

Uma camada martensítica profunda é, principalmente, uma estrutura portante. Sua dureza resiste ao sulcamento abrasivo, ao crescimento de junções adesivas e à deformação plástica próxima à superfície de contato, enquanto o núcleo mais tenaz sustenta a camada sob impacto e flexão repetida. Essa combinação é importante em engrenagens, cames e contatos de rolamento-deslizamento submetidos a cargas elevadas. No entanto, uma elevada dureza superficial não impede micropitting, pitting, escoriação ou trincamento da camada endurecida. A tensão de contato, a razão de deslizamento, o alinhamento, o acabamento superficial, as inclusões, a austenita retida, a distribuição de carbonetos, a profundidade da camada e as tensões residuais compressivas ou de tração afetam o resultado.

No contato de rolamento-deslizamento, o cisalhamento subsuperficial repetido pode iniciar trincas abaixo da superfície nominal. Se a profundidade efetiva do endurecimento for pequena demais para o campo de tensões aplicado, as trincas poderão alcançar a região de transição mais macia e acelerar o lascamento. Uma superfície muito dura, porém frágil, também pode desprender fragmentos quando picos de rugosidade, detritos ou carregamento de borda produzem tensão de tração local. A austenita retida pode se transformar durante o serviço, alterando as dimensões e as tensões residuais; essa alteração pode reduzir ou aumentar o dano, dependendo do histórico térmico e mecânico.

A nitretação apresenta um perfil de sustentação de carga diferente. O nitrogênio fortalece a zona de difusão por meio do endurecimento intersticial e da formação de nitretos de liga, sendo a resposta determinada pela composição do aço e pelo potencial do processo. A zona endurecida costuma ser mais rasa que uma camada cementada, embora seu gradiente e sua tensão residual compressiva possam contribuir para a resistência à fadiga. Camadas de compostos excessivamente espessas ou contínuas podem trincar ou se desprender sob impacto severo ou elevada tensão hertziana. Uma camada de compostos fina e controlada pode reduzir o desgaste adesivo, mas seu desempenho ainda depende da rugosidade, do material do contracorpo e da lubrificação.

A nitrocarbonetação ferrítica normalmente produz uma camada de compostos sobre uma zona de difusão. A camada de compostos pode atuar como uma superfície sacrificial e quimicamente estável durante o deslizamento, enquanto a zona de difusão fornece sustentação mecânica. Se a camada for porosa, apresentar baixa aderência ou for excessivamente frágil para o contato, os detritos de desgaste se tornarão um terceiro corpo abrasivo. Portanto, a espessura da camada, por si só, é um critério de aceitação inadequado.

Os ensaios de desgaste devem reproduzir o regime de serviço. Dados obtidos em ensaios pino-sobre-disco com uma única carga e velocidade não podem classificar os tratamentos para contato de rolamento, movimento oscilatório ou engrenamento de engrenagens lubrificado. A ISO 18203:2026 abrange camadas endurecidas superficialmente por têmpera à chama, por indução, por feixe de elétrons e por laser, além de carbonitretação, cementação e nitretação; ela permite verificar a espessura da camada, mas não fornece uma previsão universal de desgaste.

Atrito e química da superfície

O atrito é controlado pelo cisalhamento de asperezas, filmes adsorvidos, filmes de reação, aditivos do lubrificante e detritos de desgaste. A dureza é importante, mas constitui apenas uma das variáveis. A rugosidade altera a área real de contato e a probabilidade de soldagem das asperezas. A tensão residual modifica a deformação próxima à superfície e o crescimento de trincas. A carga e a velocidade de deslizamento determinam se o contato permanece em lubrificação limítrofe, mista ou hidrodinâmica.

Uma superfície martensítica cementada pode apresentar bom desempenho quando sua estrutura polida e revenida é protegida por um filme lubrificante eficaz. Contudo, se ocorrer ruptura do filme, a elevada dureza não elimina a transferência adesiva nem a escoriação. Carbonetos, austenita retida, filmes de óxidos e produtos do revenimento podem alterar a forma como os aditivos reagem na interface.

Superfícies nitretadas e nitrocarbonetadas frequentemente modificam o atrito por meios mecânicos e químicos. Nitretos e carbonitretos de ferro presentes em uma camada de compostos podem sofrer cisalhamento de maneira diferente da martensita revenida, enquanto a zona de difusão limita a falha do suporte plástico abaixo dessa camada. A porosidade pode reter o lubrificante, mas também pode aprisionar uma solução corrosiva ou liberar partículas. A química do lubrificante é decisiva: aditivos que contêm enxofre, fósforo e zinco podem formar tribofilmes protetores, reagir com elementos de liga ou acelerar o desgaste corrosivo na presença de água.

Por isso, o contracorpo deve ser especificado. Superfícies de aço endurecido, ferro fundido, cerâmica, polímero e ligas revestidas impõem diferentes condições de adesão, abrasão, temperatura e química. Um tratamento que reduz o atrito contra um contracorpo pode aumentar a transferência ou a abrasão por terceiro corpo contra outro.

Corrosão, tribocorrosão e efeitos do contracorpo

Corrosão e desgaste interagem, em vez de atuarem como perdas independentes. O deslizamento remove óxidos ou filmes de reação, expõe metal novo e aumenta a área eletroquímica. A corrosão pode amolecer ou tornar a superfície mais rugosa, gerar detritos e fazer com que a abrasão subsequente ocorra mais rapidamente. Esse processo acoplado é a tribocorrosão.

A nitretação e a nitrocarbonetação são frequentemente selecionadas quando o desempenho contra a corrosão é importante, porque as camadas superficiais que contêm nitrogênio e as camadas de compostos podem alterar as reações eletroquímicas. Elas não são automaticamente à prova de corrosão. Pinos, poros, descontinuidades, danos de retificação e contato galvânico com um contracorpo dissimilar podem fornecer caminhos para um ataque localizado. Uma camada de compostos pode proteger uma região, enquanto uma região danificada sofre corrosão rapidamente. A martensita cementada também depende fortemente da composição da liga, do revenimento, do acabamento superficial, da contaminação do lubrificante e das condições de exposição; a camada rica em carbono, por si só, não garante resistência à corrosão.

O material do contracorpo e o ambiente podem inverter a classificação obtida em laboratório. Um contracorpo de aço em ar seco pode produzir desgaste oxidativo, enquanto uma solução salina pode causar remoção do filme, pitting e perda acelerada de material. O potencial elétrico, o oxigênio dissolvido, a concentração de cloretos, a temperatura, a pressão de contato e a frequência de deslizamento influenciam o resultado. Os ensaios devem registrar essas condições e examinar ambos os membros do par, pois a transferência de material e os efeitos galvânicos podem fazer com que o contracorpo nominalmente não tratado se torne parte do mecanismo de falha.

A verificação deve combinar perfis de dureza com metalografia, medição da camada de compostos ou da zona de difusão, rugosidade, avaliação das tensões residuais e exame das trilhas de desgaste e dos produtos de corrosão. Para camadas cementadas e endurecidas, a ISO 2639:2002 utiliza a condição de dureza inferior a 450 HV 1 a três vezes a profundidade da camada para definir a aplicabilidade. Esse critério de dureza ajuda a estabelecer a profundidade da camada; ele não mede o atrito, a vida em fadiga de contato nem a resistência à tribocorrosão. Essas propriedades exigem ensaios compatíveis com a carga, a lubrificação, o contracorpo e o ambiente reais.

Distorção, Tensões Residuais e Controle do Processo

A condição final de um componente endurecido superficialmente depende do ciclo térmico e químico completo, e não do nome do tratamento escrito em um desenho. “Cementado”, “nitretado” ou “endurecido por indução” descreve uma família de processos, mas não especifica a taxa de aquecimento, a química superficial, a condição das fases, a severidade da têmpera, a uniformidade do resfriamento, o revenimento ou o estado de tensões resultante. A ASM International define o endurecimento superficial como o tratamento de um material ferroso de modo que sua camada superficial, ou camada endurecida, se torne substancialmente mais dura que o núcleo. A dureza é apenas um dos resultados desse tratamento.

Distorção na têmpera e alteração dimensional

A cementação e a carbonitretação normalmente produzem uma camada austenítica que posteriormente é temperada para formar martensita. A superfície com alto teor de carbono e o núcleo com menor teor de carbono não se transformam à mesma temperatura nem ao mesmo tempo. A formação de martensita expande o aço, enquanto o resfriamento a partir da temperatura de austenitização provoca contração térmica. A interação entre essas alterações pode modificar o diâmetro, a planicidade, a concentricidade, o espaçamento entre dentes e a retilineidade.

Uma engrenagem cementada, por exemplo, pode desenvolver um aro endurecido enquanto seu núcleo ainda está resfriando e se contraindo. Se um lado resfriar mais rapidamente que o outro, o gradiente térmico resultante produzirá flexão ou ovalização. Seções com mudanças abruptas de espessura, furos cegos, rasgos de chaveta, cantos vivos e superfícies interrompidas resfriam a taxas diferentes. Essas características concentram tanto a deformação de transformação quanto as tensões. Portanto, a distorção pode ocorrer mesmo quando a temperatura do forno e a temperatura de têmpera parecem atender aos valores especificados.

A seleção da têmpera deve corresponder ao grau do aço, ao tamanho da seção, à estrutura de camada exigida e à alteração dimensional admissível. Óleo, gás pressurizado, solução polimérica, água e salmoura impõem diferentes taxas de extração de calor e diferentes riscos de formação de película de vapor, resfriamento desigual ou trincas. Uma têmpera menos severa pode reduzir a distorção, mas deixar austenita retida em excesso ou provocar transformação insuficiente do núcleo. Uma têmpera mais severa pode aumentar a formação de martensita e, simultaneamente, elevar as tensões térmicas e de transformação. A agitação, a densidade da carga, a orientação das peças e a temperatura do meio de têmpera são tão importantes quanto a designação nominal desse meio.

A nitretação e a nitrocarbonetação ferrítica normalmente operam abaixo da temperatura crítica e não exigem o mesmo ciclo de austenitização e têmpera da cementação. Sua alteração dimensional costuma ser menor, mas não é nula. O crescimento da camada de compostos, a deformação da zona de difusão, as tensões de usinagem anteriores e os gradientes de aquecimento ou resfriamento ainda podem alterar dimensões críticas. O endurecimento localizado por chama, indução, feixe de elétrons e laser também é sensível à velocidade de varredura, à densidade de potência, à sobreposição e ao fluxo de calor para o material não aquecido. A ISO 18203:2026 abrange camadas endurecidas superficialmente produzidas por esses métodos térmicos, bem como por carbonitretação, cementação e nitretação; portanto, o método utilizado para criar a camada deve ser informado junto com a camada medida.

A pré-usinagem deixa sobrematerial para um acabamento previsível, em vez de tentar remover a distorção posteriormente por tentativa e erro. Superfícies de referência, furos e dentes de engrenagens podem exigir diferentes sobremetais. Peças que não toleram movimentação livre durante o aquecimento ou a têmpera podem exigir mandris, anéis de apoio ou têmpera sob pressão. Os dispositivos de fixação devem manter o componente sem bloquear o fluxo de gás nem criar um grande dissipador de calor. A fixação que restringe a transformação pode reduzir o movimento em uma direção e, ao mesmo tempo, armazenar tensões que serão liberadas durante a retificação.

Tensões residuais e trincas

Tensão residual é a tensão interna que permanece depois que a carga externa e o gradiente de temperatura desaparecem. O endurecimento superficial pode produzir uma tensão compressiva benéfica na superfície, especialmente quando uma camada martensítica dura se expande contra um núcleo que sofreu menor transformação. A compressão superficial pode se opor às tensões de tração geradas pelo carregamento de contato ou pela flexão cíclica. Ela só é benéfica quando sua magnitude, profundidade e uniformidade são controladas.

As tensões não controladas são diferentes. A tensão residual de tração em uma superfície retificada, em um canto cementado, em uma região descarbonetada ou em uma geometria aguda pode contribuir para a iniciação de trincas. Queimas de retificação, remoção excessiva de sobremetal, martensita não revenida, espessura excessiva da camada de compostos e falta de uniformidade na têmpera podem criar, individualmente, tensão de tração local. Uma trinca pode começar em uma concentração de tensões mesmo quando a dureza média da camada atende ao requisito do desenho.

O revenimento reduz a fragilidade da martensita após a têmpera e permite o relaxamento de parte das tensões de transformação. Ele deve ser realizado após a têmpera dentro do tempo especificado e a uma temperatura adequada ao aço e às propriedades exigidas. O revenimento retardado representa controle deficiente, e não uma opção inofensiva de programação. Para peças nitretadas e nitrocarbonetadas, a pós-oxidação ou outras etapas de acabamento podem alterar a química superficial e o comportamento de atrito, enquanto a retificação pode remover parte da zona de difusão ou modificar seu perfil de tensões.

A verificação deve incluir mais do que um valor de dureza na superfície. A profundidade da camada, a dureza do núcleo, a austenita retida, a distribuição de carbonetos ou nitretos, a espessura da camada de compostos, a distorção e as tensões podem afetar o comportamento em serviço. A ISO 2639:2002 trata da profundidade da camada cementada e endurecida e utiliza uma condição de dureza inferior a 450 HV 1 a três vezes a profundidade da camada para definir sua aplicabilidade. A ISO 18203:2026 fornece uma estrutura mais ampla para a medição de camadas produzidas por métodos térmicos e termoquímicos. Seções metalográficas, perfis de dureza, medição por coordenadas e, quando especificada, a medição de tensões residuais por raios X devem ser relacionadas às superfícies funcionais e às direções críticas.

Atmosfera, temperatura, tempo e fixação

O controle da atmosfera determina o que pode penetrar no aço e o que pode ser removido dele. Na cementação, o potencial de carbono controla a força motriz química na superfície. Um potencial muito baixo produz enriquecimento insuficiente de carbono; um potencial muito alto pode formar carbonetos excessivos, fuligem ou um gradiente de carbono indesejável. A temperatura do forno e o potencial de carbono devem permanecer uniformes em toda a carga, e não apenas junto a um único termopar de controle. A calibração da sonda, o fluxo de gás, a disposição da carga e o vazamento na porta podem alterar a camada efetivamente produzida.

A nitretação e a nitrocarbonetação exigem o controle da dissociação da amônia, do potencial de nitrogênio, das adições de gases contendo carbono, do teor de hidrogênio e da circulação no forno. A carbonitretação adiciona carbono e nitrogênio à austenita e normalmente depende da têmpera para o endurecimento martensítico. A nitrocarbonetação introduz carbono e nitrogênio na ferrita abaixo da temperatura crítica, produzindo uma zona de difusão e, frequentemente, uma camada de compostos de ferro-carbono-nitrogênio. Tratar esses ciclos como intercambiáveis com a cementação obscurece suas diferentes tensões de transformação e efeitos dimensionais.

A uniformidade do aquecimento é igualmente importante. Um cubo espesso e uma flange fina podem atingir o valor de ajuste em momentos diferentes; colocá-los juntos não torna idênticos seus históricos térmicos. O tempo à temperatura controla a difusão, o crescimento de grão, o desenvolvimento da camada de compostos e a extensão da transformação. Um tempo excessivo pode aumentar a distorção ou as frações de fases indesejáveis sem corrigir uma condição inadequada da atmosfera. Termopares, levantamentos da carga, ensaios de uniformidade do forno e dados registrados do ciclo fornecem evidências do que as peças experimentaram.

A máscara protege as superfícies que devem permanecer macias, usináveis ou dimensionalmente estáveis. Revestimento de cobre, compostos bloqueadores, barreiras mecânicas e fixação seletiva podem limitar a exposição química, mas as bordas da máscara podem criar transições abruptas da camada e concentrações locais de tensões. Essas transições exigem inspeção.

Por isso, uma sequência controlada é essencial: usinar a peça com sobremetais adequados, remover as tensões prejudiciais anteriores quando necessário, limpar e fixar a peça de modo consistente, verificar a atmosfera e a temperatura, selecionar a têmpera de acordo com o aço e a geometria, realizar prontamente o revenimento e, em seguida, executar a retificação ou o brunimento de acabamento sem superaquecer a camada. A inspeção dimensional final deve ser acompanhada da verificação da profundidade da camada e da microestrutura. O nome do tratamento é o rótulo; o histórico térmico, químico, geométrico e de tensões medido é o processo real.

Como especificar um tratamento de endurecimento superficial

“Endurecido superficialmente” não é um requisito mensurável. A ASM International define o endurecimento superficial como o tratamento de um material ferroso de modo que sua camada superficial, ou camada endurecida, se torne substancialmente mais dura que o núcleo. Essa definição inclui vários processos diferentes, com diferentes composições químicas, mecanismos de transformação, microestruturas, tensões e métodos de verificação. Portanto, uma especificação utilizável deve definir o aço, sua condição inicial, a rota de tratamento e o resultado a ser demonstrado.

Grau do aço e condição inicial

Identifique o aço por sua designação normativa completa, e não por uma descrição comercial ou por uma expressão informal como “aço para cementação”. A especificação deve identificar a norma aplicável e o grau, por exemplo, EN 10084 16MnCr5, EN 10084 20MnCr5, EN 10084 18CrNiMo7-6 ou ASTM A-29/A-29M grau 8620, quando essa designação reger o material fornecido. Se o desenho do componente utilizar uma designação nacional diferente, declare explicitamente a equivalência, em vez de presumir que números semelhantes descrevam composições químicas idênticas.

A condição inicial de tratamento térmico também deve fazer parte do requisito. Declare se a peça é fornecida no estado laminado, normalizado, recozido, recozido para globulização, temperado e revenido ou em outra condição especificada. Inclua a faixa de dureza inicial quando ela afetar a usinagem, a resposta ao tratamento ou as propriedades do núcleo. Um ciclo de cementação aplicado a 16MnCr5 recozido não é especificado da mesma forma que um endurecimento por indução aplicado a 42CrMo4 temperado e revenido.

O processo deve identificar a espécie que se difunde e a rota de transformação. A cementação introduz carbono em um interior com menor teor de carbono, criando uma superfície com alto teor de carbono que normalmente é endurecida por austenitização e têmpera. A carbonitretação introduz carbono e nitrogênio na austenita e normalmente forma uma camada martensítica. A nitretação e a nitrocarbonetação ferrítica operam abaixo da temperatura crítica, na qual o nitrogênio, ou o nitrogênio e o carbono, se difundem na ferrita sem o ciclo de austenitização e têmpera típico da cementação. A boretação e a cromização produzem regiões superficiais enriquecidas com boretos ou carbonetos/cromo, em vez de uma camada martensítica convencional cementada.

Os tratamentos térmicos localizados exigem sua própria descrição. A ISO 18203:2026 aborda camadas endurecidas superficialmente produzidas por endurecimento por chama, indução, feixe de elétrons e laser, bem como por carbonitretação, cementação e nitretação. Para um processo térmico, especifique o método de aquecimento, a frequência ou o aporte de energia, quando pertinente, a temperatura de austenitização ou a temperatura da superfície, o tempo de aquecimento ou a velocidade de varredura, o meio de têmpera e o revenimento. Um processo térmico endurece a composição existente na superfície; ele não necessariamente adiciona carbono ou nitrogênio.

Definições necessárias de profundidade da camada e dureza

Especifique se o requisito se refere à espessura total da camada endurecida, à profundidade efetiva da camada ou a outra profundidade definida. Esses termos não são intercambiáveis. Para aço cementado e temperado, a profundidade efetiva da camada é normalmente determinada a partir de um perfil de dureza: a profundidade na qual a dureza cai até o limite especificado, frequentemente 550 HV, embora a norma aplicável, o desenho ou o requisito do comprador devam declarar esse limite. A profundidade total da camada pode, em vez disso, ser definida metalograficamente, como a profundidade até um limite microestrutural especificado. Para peças nitretadas e nitrocarbonetadas, diferencie a camada de compostos da zona de difusão e declare se a profundidade informada inclui uma dessas regiões.

A ISO 2639:2002 é especificamente aplicável à determinação e à verificação da profundidade efetiva da camada de aço cementado e endurecido. Sua aplicabilidade declarada utiliza uma condição de dureza inferior a 450 HV 1 a três vezes a profundidade da camada. Essa condição não deve ser transferida silenciosamente para peças nitretadas, nitrocarbonetadas, boretadas ou termicamente endurecidas. Quando o processo estiver dentro de seu escopo, cite a ISO 2639:2002 e declare o critério de dureza, a escala de dureza, a força de ensaio, a direção do perfil e a localização do ponto zero. “Profundidade efetiva da camada: 0,8 mm” é incompleto, a menos que a especificação também estabeleça, por exemplo, “até 550 HV 1, medida a partir da superfície acabada”.

A ISO 18203:2026 fornece a estrutura mais ampla para a espessura de camadas endurecidas superficialmente produzidas por métodos térmicos e termoquímicos. Cite-a quando o requisito abranger indução, chama, feixe de elétrons, laser, cementação, carbonitretação ou nitretação, e identifique o método utilizado para calcular a espessura da camada. A profundidade especificada deve estar relacionada à superfície funcional acabada, e não apenas a uma superfície no estado tratado que posteriormente será removida por retificação. Se a remoção de sobremetal for permitida, declare o sobremetal e a profundidade exigida após a usinagem final.

A dureza deve ser definida pela escala e pela carga. Escreva HV 1, HV 0,5, HRC ou outra escala aceita, juntamente com sua força de ensaio, quando aplicável; “dureza 60” não possui significado técnico. Informe o local de medição, como o diâmetro primitivo, o flanco do dente, o raio do pé do dente, o assento do rolamento ou uma seção transversal tomada normalmente à superfície tratada. Declare se o requisito é um valor mínimo, uma faixa ou um perfil de dureza com valores máximo e mínimo. Uma única leitura superficial não pode estabelecer a profundidade da camada, a resistência do núcleo ou a uniformidade ao redor de um componente.

Os requisitos do núcleo devem ser separados dos requisitos da camada. Especifique a dureza do núcleo, as propriedades de tração ou de escoamento, quando exigidas, e a microestrutura permitida. Uma engrenagem cementada pode exigir uma camada martensítica, austenita retida controlada, redes de carbonetos limitadas e um núcleo martensítico revenido. Uma peça nitretada pode exigir limites para a espessura e a continuidade da camada de compostos, em vez de um requisito de martensita temperada. Essas distinções impedem que um certificado de processo seja aceito simplesmente porque uma única impressão superficial atende a determinado valor de dureza.

Critérios de aceitação e relatório

A especificação deve identificar o plano de amostragem, os locais de inspeção, a seção de ensaio e o momento da inspeção. Declare se a dureza será medida antes ou depois da retificação final, como as superfícies de ensaio serão preparadas e como o material removido será considerado. Para a verificação da profundidade da camada, exija um perfil de dureza com leituras em incrementos definidos desde a superfície até o núcleo. O relatório deve registrar cada leitura ou fornecer o perfil completo, e não apenas a profundidade calculada a partir dele.

Os requisitos metalográficos devem indicar a seção e as características a serem examinadas. Dependendo do tratamento, relate as microestruturas da camada e do núcleo, a morfologia da martensita, a austenita retida, os carbonetos, os nitretos, a camada de compostos, a zona de difusão, a descarbonetação, a oxidação, as trincas e o crescimento excessivo dos grãos. O ataque com nital pode revelar uma camada martensítica cementada, enquanto as camadas nitretadas e nitrocarbonetadas frequentemente exigem um método de exame adequado à sua camada de compostos e zona de difusão. Os limites de aceitação devem ser declarados, e não deixados à interpretação pessoal do inspetor.

Os requisitos dimensionais e superficiais são igualmente necessários. Estabeleça limites de deformação para batimento, circularidade, perfil do dente, inclinação, planeza ou outra geometria funcional, juntamente com os limites de usinagem após o tratamento. Declare a queima de retificação, as trincas de têmpera, os pontos moles, a carepa, a oxidação intergranular e a rugosidade superficial permitidos. A tensão residual não é inferida a partir da dureza; se ela afetar a fadiga, o desgaste, o atrito ou a tribocorrosão, especifique seu método e local de medição.

Por fim, exija um relatório que identifique o ciclo do forno ou do equipamento, a atmosfera ou a composição química dos gases, as temperaturas, os tempos, as condições de têmpera e revenimento, a rastreabilidade do lote, os resultados de dureza, o método de determinação da profundidade da camada, os resultados metalográficos e a inspeção dimensional. O documento deve declarar a norma aplicável — ISO 18203:2026, ISO 2639:2002 ou outro método identificado — e quaisquer desvios definidos pelo comprador. Sem esses detalhes, “endurecido superficialmente” descreve uma intenção, não um critério de aceitação.

Estrutura Comparativa de Decisão para Métodos de Endurecimento Superficial

O endurecimento superficial é definido pela ASM International como o tratamento de um material ferroso de modo que sua camada superficial, ou camada endurecida, se torne substancialmente mais dura que o núcleo. Essa definição descreve um resultado, não um único ciclo de forno. A seleção do tratamento depende das propriedades exigidas para a superfície e o núcleo, do grau do aço e de sua condição anterior, da geometria do componente, da rota de produção e da norma de medição utilizada para verificar o resultado.

A primeira decisão é determinar se a composição da superfície precisa ser alterada. Cementação, carbonitretação, nitretação, nitrocarbonetação, cianetação, boretação e cromização introduzem carbono, nitrogênio, boro ou cromo na superfície. Já o endurecimento por chama, indução, feixe de elétrons e laser transforma uma composição de aço existente por meio de aquecimento e resfriamento localizados. A ISO 18203:2026 abrange camadas endurecidas superficialmente produzidas por esses métodos térmicos, bem como por cementação, carbonitretação e nitretação.

Quando a cementação ou a carbonitretação são conceitualmente apropriadas

A cementação é conceitualmente apropriada quando um componente necessita de uma superfície martensítica dura e resistente ao desgaste sobre um interior tenaz, com menor teor de carbono. O processo cria uma superfície com alto teor de carbono sobre um núcleo com baixo teor de carbono. A camada enriquecida é geralmente austenitizada e temperada, produzindo martensita de alto carbono na superfície, enquanto o núcleo desenvolve uma estrutura de transformação com menor teor de carbono e maior tenacidade. O revenimento então ajusta a dureza, a tenacidade e a estabilidade dimensional.

Essa rota é adequada a componentes cujas cargas de serviço combinam tensão de contato na superfície com tensão de flexão ou impacto no corpo da peça. Engrenagens, eixos, pinos e peças semelhantes frequentemente exigem esse gradiente de propriedades, mas a decisão não pode ser tomada apenas com base no nome do componente. Uma camada cementada pode conter austenita retida, carbonetos ou um gradiente de carbono que afeta a ocorrência de trincas, a alteração dimensional, o comportamento em contato de rolamento e a fadiga. Portanto, a profundidade de camada exigida deve ser especificada juntamente com a dureza e a microestrutura do núcleo, e não apenas como um valor de dureza superficial.

A carbonitretação introduz carbono e nitrogênio na austenita e normalmente produz uma camada endurecida martensítica após a têmpera. Em comparação com a cementação, sua janela de processo e a arquitetura da camada podem ser selecionadas para produzir uma camada enriquecida relativamente rasa, enquanto o nitrogênio afeta a temperabilidade e a resposta da superfície. Ela é conceitualmente útil quando a geometria ou a rota de produção favorece uma camada termoquímica mais rasa e quando a distorção causada pela têmpera permanece controlável. A cianetação também introduz carbono e nitrogênio, historicamente por meio de processos em banho de sais contendo cianeto. Sua inclusão em uma comparação é necessária, mas sua seleção depende da química controlada, das salvaguardas ambientais, da operação do banho e da condição exigida para a camada; ela não deve ser tratada como intercambiável com a carbonitretação moderna.

Tanto a cementação quanto a carbonitretação impõem um ciclo de transformação. A austenitização, a têmpera e o revenimento criam a camada, mas também geram as principais fontes de distorção e tensão residual. Seções finas, transições abruptas, furos e formas assimétricas exigem atenção especial à severidade da têmpera e ao projeto dos dispositivos de fixação.

Quando a nitretação ou a nitrocarbonetação são conceitualmente apropriadas

A nitretação é apropriada quando se exige uma superfície dura contendo nitrogênio sem o ciclo completo de cementação e têmpera. O nitrogênio se difunde na ferrita abaixo da temperatura crítica, formando nitretos de liga e uma zona de difusão; dependendo da composição química do aço e do controle do processo, uma camada de compostos pode se formar na superfície. Aços para nitretação contendo cromo, molibdênio, alumínio ou vanádio podem responder por meio da formação estável de nitretos de liga, enquanto os aços-carbono comuns não proporcionam a mesma resposta de precipitação.

Como o tratamento é realizado abaixo da temperatura crítica, o núcleo não sofre a transformação austenítica associada à cementação. Isso pode reduzir a distorção relacionada à têmpera, embora o crescimento dimensional, as tensões preexistentes, o histórico de usinagem e a formação de camadas de compostos frágeis ou excessivas ainda afetem a precisão dimensional e a vida em serviço. Portanto, a nitretação é conceitualmente adequada a peças que já foram temperadas e revenidas e que necessitam de uma superfície dura, mantendo suas propriedades de núcleo.

A nitrocarbonetação também difunde carbono e nitrogênio na ferrita abaixo da temperatura crítica. Ela difere fundamentalmente da carbonitretação, apesar do nome semelhante: a carbonitretação enriquece a austenita e normalmente depende da formação de martensita, enquanto a nitrocarbonetação forma uma zona de difusão ferrítica e pode formar uma camada de compostos de ferro-carbono-nitrogênio. A nitrocarbonetação ferrítica é selecionada quando o desgaste, o atrito, o engripamento ou o comportamento tribocorrosivo dependem dessa arquitetura superficial, e não de uma camada martensítica profunda. A camada de compostos deve ser especificada quanto à composição, espessura, porosidade e continuidade; uma camada mais espessa não é automaticamente uma camada melhor.

A boretação e a cromização seguem uma lógica composicional diferente. A boretação forma fases de boretos duros, enquanto a cromização introduz cromo na superfície e pode formar fases ou compostos ricos em cromo. Ambas podem alterar a resposta à abrasão, ao atrito e à corrosão, mas a questão relevante é saber se a estrutura de fases resultante, a aderência, a profundidade e a tensão residual são adequadas à condição de serviço. Nenhuma classificação universal decorre da dureza superficial nominal.

Quando o endurecimento térmico localizado é conceitualmente apropriado

O endurecimento térmico localizado é apropriado quando o aço já possui o teor de carbono necessário e apenas determinadas superfícies precisam ser endurecidas. O endurecimento por chama, indução, feixe de elétrons e laser aquece uma região controlada até a faixa austenítica, seguido de auto-têmpera ou de uma têmpera aplicada. A camada endurecida é, portanto, uma região transformada do aço original, e não uma camada quimicamente enriquecida.

Essa abordagem pode preservar um núcleo mais macio e tenaz e evitar o tratamento de superfícies que não suportam cargas de contato ou desgaste. Ela é especialmente sensível à geometria: a direção de varredura, os cantos, as mudanças de diâmetro, a espessura da parede, a extração de calor e o acesso da fonte de aquecimento determinam a profundidade e a continuidade da zona endurecida. A indução pode seguir um padrão programado de bobina; os métodos a laser e por feixe de elétrons podem localizar a energia de forma mais restrita; o endurecimento por chama depende fortemente do movimento do maçarico e do balanço térmico. Essas diferenças afetam a tensão residual, as marcas de sobreposição, os pontos moles e a distorção.

A verificação deve corresponder ao processo e à propriedade definida. A ISO 18203:2026 fornece uma estrutura para medir a espessura de camadas endurecidas superficialmente produzidas por tratamentos térmicos e termoquímicos. Para camadas cementadas e endurecidas, a ISO 2639:2002 utiliza um critério de dureza inferior a 450 HV 1 a três vezes a profundidade da camada para definir sua aplicabilidade. Uma especificação válida deve identificar a escala e a carga de dureza, a direção do percurso de medição, a definição da profundidade efetiva ou total da camada, o local de amostragem e os limites de aceitação. Pode ser necessária metalografia para distinguir martensita, austenita retida, carbonetos, nitretos, boretos, fases ricas em cromo e camadas de compostos que a dureza, por si só, não consegue identificar.

A seleção do tratamento deve corresponder à condição definida para a superfície e o núcleo que pode ser produzida e verificada para o aço e o serviço. Strong evidence

Uma comparação neutra segue o mecanismo. A cementação e a carbonitretação adicionam carbono, ou carbono mais nitrogênio, à austenita e geralmente criam uma camada martensítica temperada; a nitretação e a nitrocarbonetação adicionam nitrogênio, ou nitrogênio mais carbono, abaixo da temperatura crítica e produzem zonas de difusão com possíveis camadas de compostos; a cianetação combina carbono e nitrogênio por meio de um processo em banho de sais; a boretação e a cromização formam regiões superficiais quimicamente distintas, contendo boretos ou cromo; o endurecimento por chama, indução, feixe de elétrons e laser transforma localmente o aço existente. Consequentemente, seus regimes de temperatura, arquiteturas de camada, respostas do núcleo, riscos de distorção, limitações geométricas e procedimentos de verificação diferem. A questão de engenharia válida não é qual método é “melhor”, mas qual condição definida para a superfície e o núcleo pode ser produzida e verificada para o aço e o serviço em questão.