Descarbonetação do Aço: Causas, Medição e Controle

O que é — e o que não é — a descarbonetação do aço

Definição de descarbonetação e da zona descarbonetada

A descarbonetação do aço é a perda, nas proximidades da superfície, de carbono ou de fases ricas em carbono de um produto de aço durante o aquecimento, o processamento ou o uso. A região afetada é a zona descarbonetada: uma camada abaixo da superfície original ou acabada na qual o teor de carbono, a fração de fases que contêm carbono, ou ambos, são menores do que no interior não afetado. A obra Damage and Failure Modes of Structural Steel Components, do NIST, descreve essa zona como a perda, nas proximidades da superfície, de carbono e de fases ricas em carbono quando o carbono superficial reage com o oxigênio para formar monóxido de carbono (CO) ou dióxido de carbono (CO₂) gasosos.

A descarbonetação resulta da ação conjunta da reação superficial e da difusão de carbono no estado sólido, e não apenas da oxidação. Strong evidence

A situação mais comum envolve tratamento térmico, forjamento, laminação, sinterização ou outra operação em alta temperatura na qual a superfície do aço entra em contato com um gás capaz de remover carbono. Gases de forno contendo oxigênio são causas comuns, mas a reação é controlada por mais fatores do que apenas a presença de oxigênio. O carbono deve se difundir do interior em direção à superfície, as reações superficiais devem ocorrer a uma taxa suficiente, e a atmosfera do forno deve apresentar atividade efetiva de carbono menor do que a do aço. Se a atmosfera tiver potencial de carbono maior do que o da superfície do aço, o carbono poderá entrar no aço. A superfície, portanto, atua como uma fronteira de reação acoplada à difusão no estado sólido.

O capítulo Steel Decarburization—Mechanisms, Models, Prevention, Correction, and Effects on Component Life, da ASM, descreve a difusão de carbono através do ferro austenítico em direção à superfície como uma parte central do processo. Em temperatura elevada, o carbono se desloca pela rede da austenita enquanto as reações na superfície consomem carbono. O gradiente de concentração resultante pode se estender para além da superfície visualmente alterada. Uma camada escura de carepa, por si só, não indica até que profundidade se estende a perda de carbono.

Os metalurgistas geralmente distinguem descarbonetação parcial de descarbonetação total. Descarbonetação parcial significa que ainda resta algum carbono na camada afetada, embora sua concentração ou seu teor de fases ricas em carbono seja menor do que no aço não afetado. Descarbonetação total significa que o constituinte rico em carbono esperado para a composição e a condição de tratamento térmico do aço foi removido da camada relevante, deixando uma estrutura pobre em carbono. Essas são condições metalúrgicas, não categorias universais de profundidade. A ISO 3887:2023, Steels — Determination of the depth of decarburization, especifica três métodos para determinar a profundidade de descarbonetação em produtos de aço, mas o significado de uma profundidade relatada ainda depende do critério e do método especificados.

A transição entre o material descarbonetado e o material não afetado pode ser nítida, gradual ou irregular. Um aço hipoeutetoide pode apresentar uma camada superficial ferrítica na qual a perlita foi reduzida ou eliminada. Um aço com maior teor de carbono pode apresentar menor teor de carbonetos, perlita alterada ou uma camada totalmente ferrítica próxima à superfície. Os elementos de liga também afetam a atividade do carbono, a difusão, a estabilidade das fases e a aparência da zona transformada. Por esse motivo, a “profundidade de descarbonetação” nem sempre corresponde a um único limite evidente visível em baixa ampliação.

Descarbonetação em comparação com oxidação, formação de carepa, cementação e redução de carbono decorrente do processamento

A descarbonetação e a oxidação frequentemente ocorrem juntas, mas não são sinônimos. Oxidação é a reação dos constituintes do aço com espécies oxidantes, como oxigênio, vapor de água ou dióxido de carbono. A oxidação do ferro pode produzir uma película ou camada de óxido, enquanto a oxidação do carbono pode produzir CO ou CO₂ e reduzir o teor de carbono abaixo da superfície. Portanto, uma atmosfera de forno pode oxidar a superfície sem produzir uma zona descarbonetada de importância prática, ou pode causar ambos os efeitos simultaneamente.

Formação de carepa refere-se principalmente à formação e à remoção de produtos de óxido aderentes ou soltos na superfície do aço. A carepa pode conter óxidos de ferro, como wüstita, magnetita e hematita, dependendo da temperatura e das condições gasosas. Uma camada espessa de carepa não estabelece a profundidade da perda de carbono. Por outro lado, a descarbonetação pode ocorrer sob uma atmosfera ou um revestimento que produza pouca carepa visível. A obra Atmosphere Control for the Protection of Metals During Production Processes, de Cambridge, relaciona especificamente a exposição direta a atmosferas de combustão com excesso de oxigênio à oxidação, à formação de carepa e à descarbonetação, tratando esses fenômenos como resultados relacionados, porém distintos.

Atividade do carbonoAtividade do carbono Medida termodinâmica do potencial químico do carbono em relação a um estado de referência definido; depende da concentração, da temperatura, da fase e dos elementos de liga.

A força motriz química é mais bem expressa por meio da atividade do carbono ou do potencial de carbono do forno do que por um rótulo simples como “atmosfera oxidante”. O potencial de carbono durante o tratamento térmico do aço é determinado pela diferença entre a atividade do carbono no aço e no ambiente, juntamente com a cinética das reações superficiais. A obra Furnace Atmosphere Controls in Heat Treating, da ASM, identifica a concentração de vapor de água, a concentração de dióxido de carbono e a pressão parcial de oxigênio como variáveis do forno utilizadas para controlar o potencial de carbono e evitar a perda de carbono. O suplemento de 2020 2704CP Handbook, da Eurotherm, descreve a estimativa comum do potencial de carbono do forno a partir de uma medição de oxigênio com sonda de zircônia combinada com a temperatura do forno e o teor de monóxido de carbono, ou a partir da medição do ponto de orvalho.

Cementação é a condição oposta de transferência líquida de carbono: o carbono entra na superfície do aço e aumenta sua atividade ou concentração de carbono. Uma atmosfera de forno pode cementar uma classe de aço e descarbonetar outra se os teores iniciais de carbono ou as condições superficiais forem diferentes. Mesmo em uma única carga do forno, o fluxo local de gás, a temperatura, o ponto de orvalho, a fuligem, os vazamentos e o espaçamento entre as peças podem produzir resultados diferentes. A orientação de 2023 Sintering of Steels, da Linde, afirma que o vapor de água em atmosferas de nitrogênio/hidrogênio causa descarbonetação e relata uma diretriz experimental segundo a qual menos de 5% de hidrogênio limitou as taxas de cementação e descarbonetação nas condições de sinterização citadas. Esse valor não é uma regra universal para fornos; a composição do gás, a temperatura, a geometria do pó ou do aço maciço e o tempo de permanência continuam sendo fatores decisivos.

O carbono também pode ser reduzido por processamento sem o mecanismo clássico de descarbonetação em forno. A remoção mecânica, as queimas de retificação, a usinagem, a decapagem, as perdas na fusão, a segregação ou a dissolução de carbonetos durante um ciclo térmico inadequado podem alterar a estrutura que contém carbono ou o teor de carbono medido próximo a uma superfície. O carbono pode se redistribuir durante a soldagem ou o processamento aditivo, e uma camada descarbonetada pode ser removida por usinagem após o tratamento térmico. Essas condições não devem ser automaticamente chamadas de descarbonetação. O termo é mais defensável quando um déficit de carbono próximo à superfície está associado à transferência, à reação ou à perda seletiva de carbono durante o processo em análise.

No estudo citado sobre aço para molas, a espessura da ferrita descarbonetada apresentou uma resposta não monotônica à temperatura entre 700 e 1000 °C. Strong evidence

A temperatura, por si só, não prevê a profundidade final. Um estudo de 2021 publicado no Journal of Materials Research and Technology, sobre aço-mola Fe-0.6C-1.8Si-0.8Mn testado entre 700 e 1000 °C, constatou que a espessura da ferrita descarbonetada aumentou até aproximadamente 800–825 °C e depois diminuiu. Temperaturas mais altas aceleram a difusão do carbono, mas também podem alterar a formação de óxidos, as reações gasosas, a constituição das fases e a duração da transformação relevante. O máximo observado, portanto, reflete efeitos acoplados de difusão e oxidação, e não uma relação monotônica determinada apenas pela temperatura.

Por que a perda de carbono superficial é importante para o desempenho do aço

O carbono controla a fração e a morfologia da ferrita, perlita, bainita, martensita e dos carbonetos que se desenvolvem durante o resfriamento. A remoção de carbono da superfície pode produzir uma camada mais macia em um aço cujo núcleo foi projetado para endurecer. Em um componente temperado, a superfície pode não atingir a dureza pretendida, mesmo que o interior atenda à especificação. Em uma mola, engrenagem, rolamento, eixo ou elemento de fixação, essa diferença altera a transferência de carga e a deformação local.

A penalidade mecânica costuma ser maior na superfície, pois é nessa região que se concentram as tensões de contato, as tensões de flexão, o atrito e a iniciação de trincas. Uma camada descarbonetada ferrítica pode reduzir a resistência ao desgaste e a vida em fadiga de contato. Sob flexão cíclica, a camada de menor resistência pode escoar ou desenvolver deslizamento antes do núcleo. Um gradiente superficial de carbono também pode alterar o desenvolvimento das tensões residuais durante a têmpera, enquanto óxidos e carepa áspera fornecem entalhes adicionais ou locais de iniciação de trincas. A ASM relaciona esses efeitos à vida útil dos componentes, à prevenção, à correção e à modelagem, em vez de tratar a descarbonetação como um defeito meramente cosmético.

A medição deve ser compatível com a afirmação que se pretende fazer. A ASTM E1077-14(2021), Standard Test Methods for Estimating the Depth of Decarburization of Steel Specimens, abrange procedimentos de triagem, exame microscópico, microdureza por indentação e análise química. Seu método de referência para casos de divergência é a análise quantitativa rigorosa ou a análise linear. A SAE J419_201801, Methods of Measuring Decarburization, também apresenta práticas recomendadas de análise microscópica, de dureza e química para materiais ferrosos. A ISO 3887:2023 especifica três métodos de medição, reforçando que a profundidade relatada depende do método.

Perfil de durezaPerfil de dureza Sequência de medições de dureza realizadas a distâncias controladas de uma superfície em direção ao interior não afetado.

Um perfil de dureza pode identificar a profundidade prática em que a resistência foi recuperada, enquanto a microscopia pode identificar o desaparecimento da perlita ou de constituintes ricos em carbonetos. A análise química pode detectar um gradiente de carbono que nenhum dos dois métodos consegue determinar claramente. Assim, dois laboratórios podem relatar diferentes “profundidades de descarbonetação” a partir da mesma seção transversal, sem que nenhuma das medições tenha sido realizada de forma negligente. O resultado deve informar o método, o critério, a orientação, o local de amostragem e a condição do aço. A descarbonetação é, antes de tudo, um problema metalúrgico de perda de carbono; a cor da carepa é apenas uma possível indicação.

A força motriz termodinâmica: atividade do carbono na superfície

Troca de carbono entre o aço e a atmosfera do forno

A descarbonetação começa quando a superfície do aço é exposta a uma atmosfera cuja atividade efetiva do carbono é menor que a atividade do carbono no aço. O carbono então se desloca do interior em direção à superfície por difusão, enquanto as reações superficiais convertem esse carbono em espécies gasosas que deixam o metal. Portanto, o processo não é apenas a “oxidação da superfície”. Trata-se de uma troca acoplada entre o carbono em uma solução sólida ou em uma fase de carbonetos e gases que contêm carbono.

A distinção entre atividade do carbono no aço e atividade atmosférica do carbono é fundamental. A atividade do carbono, normalmente representada por $a_C$, descreve o potencial químico do carbono em relação a um estado de referência definido. No aço, $a_C$ depende da concentração de carbono, da temperatura, da estrutura cristalina e dos elementos de liga. A austenita contendo 0,60% em massa de C não apresenta a mesma atividade do carbono que uma liga de ferro-carbono não ligada com a mesma concentração de carbono, porque o silício, o manganês, o cromo, o molibdênio e outros elementos alteram o coeficiente de atividade do carbono. A fase também é importante: a atividade do carbono na austenita não pode ser transferida diretamente para a ferrita ou a martensita sem considerar seus diferentes estados termodinâmicos.

A atmosfera do forno possui uma atividade efetiva do carbono determinada pelos equilíbrios entre monóxido de carbono, dióxido de carbono, hidrogênio, vapor de água, metano e outros gases. Ela não corresponde a uma concentração de carbono no mesmo sentido que o percentual em massa de carbono no aço. O “potencial atmosférico de carbono” é uma expressão prática para a atividade do carbono no gás: trata-se do teor de carbono que um ferro ou aço de referência atingiria aproximadamente se fosse exposto durante tempo suficiente para alcançar o equilíbrio gás-metal a uma determinada temperatura.

Quando a superfície do aço e a atmosfera estão em equilíbrio, seus potenciais químicos de carbono são iguais. Se a atmosfera tiver o menor potencial de carbono, o carbono deixa o aço. Se tiver o maior valor, o carbono entra no aço e ocorre a cementação. Se os dois valores forem próximos, uma pequena alteração na composição do gás, na temperatura ou na condição superficial poderá inverter a direção da troca.

Diversas reações gasosas removem carbono do aço. O oxigênio pode reagir com o carbono superficial por meio de reações aproximadamente representadas por

\[ \mathrm{C + \tfrac{1}{2}O_2 \rightarrow CO} \]

e

$$\mathrm{C}+{\mathrm{O}}_2\to {\mathrm{CO}}_2.$$

O dióxido de carbono e o vapor de água também são componentes oxidantes importantes. Suas reações podem ser representadas por

$$\mathrm{C}+{\mathrm{CO}}_2\to 2\mathrm{CO}$$

e

$$\mathrm{C}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to \mathrm{CO}+{\mathrm{H}}_2.$$

Os produtos, especialmente CO e CO₂, podem então participar de reações adicionais na fase gasosa. Uma baixa concentração de um gás oxidante ainda pode produzir descarbonetação mensurável se o gás remover continuamente carbono da superfície e a atmosfera do forno for continuamente renovada.

O tratamento do potencial de carbono descrito em O potencial de carbono durante o tratamento térmico do aço é útil porque separa a força motriz termodinâmica da velocidade da reação. A troca de carbono é impulsionada pela diferença entre a atividade do carbono no aço e a atividade do carbono imposta pela atmosfera. A cinética das reações superficiais determina a rapidez com que essa diferença se manifesta. Primeiro, o carbono precisa alcançar a superfície, reagir nela e então entrar na fase gasosa. Uma etapa lenta em qualquer estágio pode reduzir a taxa de descarbonetação observada sem eliminar a força motriz subjacente.

Atividade do carbono, potencial de oxigênio e cinética das reações superficiais

A pressão parcial de oxigênio é uma medida direta da tendência oxidante da atmosfera, mas não especifica, por si só, o potencial de carbono. Uma pressão parcial de oxigênio muito baixa pode coexistir com uma mistura gasosa que ainda remova carbono rapidamente, especialmente quando há vapor de água ou dióxido de carbono e a reação relevante apresenta cinética favorável na temperatura de tratamento.

As orientações da ASM de 2013, Controles da atmosfera do forno no tratamento térmico, identificam a concentração de vapor de água, a concentração de dióxido de carbono e a pressão parcial de oxigênio como variáveis do forno utilizadas para controlar o potencial de carbono e evitar a descarbonetação. Essas variáveis estão relacionadas, mas não são intercambiáveis. O ponto de orvalho é uma medida indireta do vapor de água. Uma sonda de zircônia responde principalmente ao potencial de oxigênio. Nenhuma das duas medições, isoladamente, fornece todas as grandezas necessárias para calcular a atividade do carbono imposta na superfície do aço.

Por exemplo, o equilíbrio de

\[ \mathrm{CO_2 + C \rightleftharpoons 2CO} \]

depende da razão entre monóxido de carbono e dióxido de carbono e da temperatura. O equilíbrio de

\[ \mathrm{H_2O + C \rightleftharpoons CO + H_2} \]

depende do vapor de água, do hidrogênio, do monóxido de carbono e da temperatura. O aumento de $p_{{\mathrm{CO}}_2}$ ou $p_{{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}}$, mantendo fixas as demais condições, geralmente aumenta a tendência à descarbonetação. O aumento da razão CO/CO₂ geralmente reduz a tendência oxidante e pode elevar o potencial efetivo de carbono. O hidrogênio altera a interpretação do vapor de água, porque a grandeza relevante frequentemente é a razão $p_{{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}}/p_{{\mathrm{H}}_2}$, e não apenas a concentração de vapor de água.

A superfície do aço pode não atingir imediatamente a atividade do carbono correspondente ao equilíbrio com o gás. Películas de óxido, carepa, óxidos de elementos de liga, rugosidade superficial, velocidade do gás e espessura da camada-limite afetam a transferência das espécies reagentes. Um óxido compacto pode restringir temporariamente a transferência de carbono, enquanto uma carepa fissurada ou porosa pode expor metal novo e criar sítios de reação locais. A difusão do carbono pela austenita pode então se tornar a resistência controladora, especialmente à medida que a camada empobrecida cresce. O capítulo da ASM, Descarbonetação do aço — mecanismos, modelos, prevenção, correção e efeitos sobre a vida útil do componente, descreve essa alteração da concentração, que avança para o interior, como a difusão do carbono através do ferro austenítico em direção a uma superfície em reação.

Isso explica por que um forno pode apresentar uma leitura média satisfatória da sonda enquanto as peças ainda desenvolvem descarbonetação localizada. A composição do gás pode variar conforme a posição no forno, a geometria da carga, vazamentos, produtos da combustão e circulação. Uma sonda mede seu próprio ambiente local; ela não mede automaticamente a atmosfera em todas as superfícies de aço.

Consequentemente, uma receita nominal, como nitrogênio, hidrogênio e monóxido de carbono em proporções especificadas, não é prova de um potencial de carbono controlado. A umidade real, o dióxido de carbono, a entrada de oxigênio, a dissociação dos gases, a vazão, a pressão do forno e a calibração da sonda precisam ser conhecidos ou controlados. As orientações da Linde de 2023 para sinterização relatam que o vapor de água em atmosferas de nitrogênio-hidrogênio causa descarbonetação e apresentam uma diretriz experimental segundo a qual menos de 5% de hidrogênio limita as taxas de cementação e descarbonetação nas condições de sinterização citadas. Esse valor não constitui uma regra universal para fornos. Sua importância depende do sistema gasoso, da temperatura, do aço, do tempo de permanência e do nível de vapor de água especificados.

A atividade do carbono também se altera com a composição do aço. O silício no aço de mola Fe-0,6C-1,8Si-0,8Mn estudado entre 700 e 1000 °C afeta a termodinâmica do carbono e o comportamento de oxidação, enquanto o manganês e o equilíbrio ferrita-austenita em evolução afetam a difusão e a estabilidade das fases. A resposta da superfície não pode ser prevista apenas com base no percentual de carbono.

Por que a composição da atmosfera não pode ser interpretada independentemente da temperatura

A temperatura participa de todos os aspectos do equilíbrio. Ela altera as constantes de equilíbrio das reações gasosas, a atividade do carbono na austenita, a estabilidade dos óxidos, a velocidade das reações superficiais e o coeficiente de difusão do carbono. Portanto, a mesma razão CO/CO₂ pode impor diferentes potenciais de carbono em diferentes temperaturas do forno. Uma mistura gasosa que seja protetora a uma determinada temperatura pode ser descarbonetante a outra.

A temperatura também altera qual processo controla a profundidade medida. Em temperaturas mais elevadas, a difusão do carbono pela austenita se torna mais rápida, mas as reações de oxidação e o transporte gasoso podem mudar simultaneamente. Como resultado, a profundidade de descarbonetação não precisa aumentar de forma monotônica. Em um estudo de 2021 sobre aço de mola Fe-0,6C-1,8Si-0,8Mn tratado de 700 a 1000 °C, a espessura da ferrita descarbonetada aumentou até aproximadamente 800–825 °C e depois diminuiu. Esse máximo é uma forte evidência contra o tratamento da temperatura como uma regra de variável única. As transformações de fase, a formação de carepa, a disponibilidade de oxigênio e a cinética das reações estavam acopladas.

O suplemento do manual 2704CP da Eurotherm, de 2020, descreve a estimativa comum do potencial de carbono do forno a partir de medições de oxigênio feitas com sonda de zircônia, combinadas com a temperatura do forno e o teor de monóxido de carbono, ou a partir da medição do ponto de orvalho. O termo de temperatura é essencial em ambas as abordagens. Um sinal da sonda sem a temperatura, a análise dos gases e a calibração corretas pode produzir um valor de potencial de carbono plausível, porém incorreto.

A publicação da Cambridge, Controle da atmosfera para a proteção dos metais durante processos de produção, também alerta que a exposição direta a atmosferas de combustão com excesso de oxigênio pode causar oxidação, formação de carepa e descarbonetação. O objetivo prático do controle não é um rótulo para o gás, como “neutro” ou “redutor”. É um equilíbrio superficial medido e específico para a temperatura, que impeça a atividade do carbono no aço de exceder a atividade efetiva do carbono na atmosfera por tempo suficiente para criar uma zona empobrecida inaceitável.

Difusão, Reação e Formação de uma Camada Descarbonetada

A descarbonetação é produzida por um fluxo de carbono em movimento, não apenas pela oxidação. Durante o aquecimento na faixa da austenita, o carbono dissolvido no ferro migra em direção a uma superfície onde a atmosfera circundante o remove mais rapidamente do que o aço consegue repô-lo. O capítulo do ASM Handbook, Steel Decarburization—Mechanisms, Models, Prevention, Correction, and Effects on Component Life, descreve esse processo como a interação entre a difusão do carbono através do ferro austenítico, as reações superficiais e a química da atmosfera do forno.

A superfície do aço, portanto, torna-se um sumidouro de carbono. Se a atmosfera tiver uma atividade de carbono menor que a do aço, o carbono flui para fora. O resultado pode incluir a perda de carbono dissolvido, a dissolução de fases ricas em carbono, a formação de ferrita na superfície ou uma combinação desses efeitos. O NIST descreve a região afetada como uma zona de descarbonetação próxima à superfície, na qual o carbono e as fases ricas em carbono foram removidos, geralmente depois que o carbono superficial reage com o oxigênio para formar monóxido de carbono (CO) ou dióxido de carbono (CO₂) gasoso.

Essa descrição também explica por que uma profundidade de descarbonetação medida não é uma constante fixa do material. Ela depende da temperatura, do tempo, da geometria da seção, do estado de fase, da composição da liga, da composição da atmosfera e do método usado para identificar o limite.

Difusão do carbono através da austenita

Acima da temperatura de transformação relevante, o carbono ocupa sítios intersticiais na austenita, a fase cúbica de face centrada do ferro. Sua concentração não é uniforme quando a superfície perde carbono. Forma-se um gradiente de concentração: a concentração de carbono é menor próxima à superfície exposta e se aproxima da composição do volume do material em regiões mais internas da seção. O gradiente fornece a força motriz para a difusão.

Primeira lei de FickPrimeira lei de Fick Relação de difusão que estabelece que o fluxo é proporcional ao gradiente negativo de concentração, com o coeficiente de difusão definindo a escala do transporte.

Uma descrição simplificada utiliza a primeira lei de Fick:

$$J_C=-D_C\frac{\partial C_C}{\partial x}$$

Aqui, $J_C$ é o fluxo de carbono, $D_C$ é o coeficiente de difusão do carbono na austenita, $C_C$ é a concentração de carbono e $x$ é a distância a partir da superfície. O sinal negativo indica o movimento no sentido descendente do gradiente de concentração. O coeficiente de difusão aumenta acentuadamente com a temperatura, sendo frequentemente representado por uma relação de Arrhenius:

$$D_C=D_0\exp (-\frac{Q}{\mathrm{RT}})$$

em que $D_0$ é um fator de frequência, $Q$ é a energia de ativação, $R$ é a constante dos gases e $T$ é a temperatura absoluta.

Uma distância de difusão aproximada varia com $\sqrt{D_{\mathrm{Ct}}}$, em que $t$ é o tempo de exposição. Isso, por si só, não prevê a profundidade medida de descarbonetação, porque a concentração superficial não é automaticamente igual a zero e a reação na superfície pode ser lenta. No entanto, mostra por que uma exposição mais longa no forno geralmente permite que o empobrecimento de carbono se estenda mais para o interior, enquanto uma temperatura mais elevada pode aumentar a profundidade afetada ao acelerar o transporte.

O estado de fase modifica o problema de transporte. O carbono se difunde muito mais rapidamente na austenita do que na ferrita, porque os sítios intersticiais e os caminhos de difusão são diferentes. Um tratamento térmico que atravesse a transformação de austenita para ferrita pode, portanto, produzir um perfil que reflita o movimento do carbono durante uma fase e a transformação durante outra. A ferrita superficial pode se formar porque a concentração local de carbono cai abaixo daquela necessária para estabilizar a austenita na temperatura de tratamento. Essa camada ferrítica não é simplesmente um produto de uma reação de oxidação; ela também é uma transformação de fase causada pela perda de carbono.

O tamanho da seção é importante porque um produto fino pode atingir uma condição de empobrecimento a partir de ambos os lados. Em uma barra espessa, a região central pode permanecer próxima da concentração original de carbono, enquanto as duas zonas superficiais se desenvolvem de forma independente. Em uma chapa fina, os campos de difusão podem se sobrepor, reduzindo ou eliminando um núcleo totalmente carburizado. Bordas e cantos acrescentam outra complicação: sua maior área superficial exposta por unidade de volume e seus caminhos de difusão bidimensionais podem produzir um empobrecimento mais profundo ou menos uniforme do que uma face plana ampla.

Reações superficiais que removem carbono

A difusão fornece carbono à superfície, mas uma reação superficial precisa consumi-lo ou transferi-lo para que ocorra uma descarbonetação contínua. A reação pode envolver oxigênio, vapor de água, dióxido de carbono ou outros constituintes da atmosfera. Entre as reações representativas estão:

$${\mathrm{C}}_{\mathrm{steel}}+\frac{1}{2}{\mathrm{O}}_2\to \mathrm{CO}$$

$${\mathrm{C}}_{\mathrm{steel}}+{\mathrm{O}}_2\to {\mathrm{CO}}_2$$

$${\mathrm{C}}_{\mathrm{steel}}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to \mathrm{CO}+{\mathrm{H}}_2$$

$${\mathrm{C}}_{\mathrm{steel}}+{\mathrm{CO}}_2\to 2\mathrm{CO}$$

As reações gasosas reais podem ocorrer através de filmes de óxido e espécies superficiais adsorvidas; portanto, essas equações devem ser tratadas como reações globais, e não como uma sequência completa de etapas elementares. O oxigênio pode inicialmente produzir uma carepa de óxido de ferro, enquanto o carbono presente na carepa ou abaixo dela reage com o ambiente oxidante. A obra Atmosphere control for the protection of metals during production processes, da Cambridge, relaciona atmosferas de combustão com excesso de oxigênio à oxidação, à formação de carepa e à descarbonetação.

A atividade de carbono fornece uma descrição termodinâmica mais útil do que a concentração de oxigênio isoladamente. O potencial de carbono da atmosfera do forno é a atividade de carbono que a atmosfera imporia ao aço em condições especificadas. Quando o aço apresenta atividade de carbono maior que a da atmosfera, a descarbonetação é favorecida. Quando a atmosfera tem potencial de carbono maior, o carbono pode entrar no aço, resultando possivelmente em cementação. A literatura sobre potencial de carbono enfatiza que essa troca é controlada tanto pela diferença de atividade quanto pela cinética da reação superficial.

A obra Furnace Atmosphere Controls in Heat Treating, da ASM, identifica a concentração de vapor de água, a concentração de dióxido de carbono e a pressão parcial de oxigênio como variáveis importantes para o controle do potencial de carbono do forno. O suplemento de 2020 do 2704CP Handbook, da Eurotherm, descreve a estimativa comum do potencial de carbono a partir de uma medição de oxigênio com sonda de zircônia combinada com a temperatura do forno e o teor de monóxido de carbono, ou a partir da medição do ponto de orvalho. Essas medições descrevem as condições do forno; elas não medem diretamente o perfil de carbono no interior de cada componente.

A diretriz de hidrogênio inferior a 5% não deve ser generalizada para além das condições de sinterização citadas. Limited evidence

O vapor de água exige atenção especial. A orientação Sintering of steels, da Linde, de 2023, afirma que o vapor de água em atmosferas de nitrogênio/hidrogênio causa descarbonetação e cita uma diretriz experimental segundo a qual menos de 5% de hidrogênio limitou as taxas de cementação e descarbonetação nas condições de sinterização especificadas. Esse valor não é um limite universal para fornos. O fluxo de gás, a temperatura, a composição do aço, o ponto de orvalho, a condição da superfície e a geometria do equipamento determinam se uma determinada atmosfera é oxidante, neutra, carburante ou descarbonetante.

Acoplamento entre a taxa de reação e a taxa de difusão

A superfície e o interior formam um sistema acoplado. Se a reação superficial for muito rápida, a concentração de carbono próxima à superfície poderá cair acentuadamente, produzindo um gradiente íngreme e um fluxo controlado pela difusão. Se o transporte de carbono através da austenita for rápido, mas a reação superficial for lenta, o carbono se acumulará próximo à superfície e a perda global será controlada pela reação. Entre esses dois limites, ambas as resistências são relevantes.

Uma condição de contorno conceitual útil é:

$$-D_C\frac{\partial C_C}{\partial x}{|}_s=k_s(C_{C,s}-C_{C,\mathrm{eq}})$$

em que $k_s$ é um coeficiente de reação superficial, $C_{C,s}$ é a concentração superficial de carbono e $C_{C,\mathrm{eq}}$ representa a concentração em equilíbrio com a atmosfera. Um $k_s$ baixo mantém a superfície relativamente rica em carbono; um $k_s$ alto conduz a concentração superficial em direção ao valor de equilíbrio atmosférico. A velocidade do gás do forno, a cobertura de óxido, as trincas na carepa e a composição do gás podem alterar o coeficiente superficial efetivo.

Esse acoplamento produz um gradiente, e não um limite químico abrupto, em muitos corpos de prova. A concentração de carbono varia de forma contínua ou semicontínua com a profundidade, e a microestrutura associada muda ao longo de uma zona à medida que variam a fração de ferrita, o teor de carbonetos, a dureza e a resposta ao ataque metalográfico. Um limite de aparência nítida pode surgir quando um método de ensaio aplica um limiar, mas esse limiar é uma convenção de medição, não necessariamente uma descontinuidade física.

A temperatura tampouco impõe uma regra monotônica simples. Um estudo de 2021 sobre aço para molas Fe-0.6C-1.8Si-0.8Mn tratado entre 700 e 1000 °C constatou que a espessura da ferrita descarbonetada aumentou até aproximadamente 800–825 °C e depois diminuiu. O resultado reflete efeitos concorrentes: a difusão se acelera à medida que a temperatura aumenta, enquanto a estabilidade de fase, o comportamento da oxidação, as taxas de reação superficial e o tempo disponível em uma determinada fase alteram o perfil.[1][1] Steels — Determination of the depth of decarburization. International Organization for Standardization. ISO standard, 2023.

A medição pode alterar a profundidade relatada. A ISO 3887:2023 especifica três métodos para determinar a profundidade de descarbonetação em produtos de aço. A ASTM E1077-14(2021) abrange procedimentos de triagem, análise microscópica, ensaio de microdureza e análise química; quando os resultados são contestados, ela designa a análise quantitativa rigorosa ou a análise linear como método de arbitragem. A SAE J419_201801 também apresenta práticas recomendadas de análise microscópica, de dureza e química. Um critério de dureza pode identificar uma zona afetada mais ampla do que o exame metalográfico, enquanto a análise química pode detectar uma perda de carbono que produz pouca alteração visível. A camada relatada é, portanto, o resultado da exposição no forno e da definição escolhida para determinar onde termina a descarbonetação.

Temperatura, Tempo e a Resposta Não Monotônica à Descarbonetação

A temperatura afeta a descarbonetação por meio de várias variáveis interligadas, e não apenas pela difusão. O aumento da temperatura da peça geralmente eleva a mobilidade do carbono, mas também altera a constituição de fases do aço, a velocidade das reações gás–metal, o crescimento ou a remoção da carepa de óxido e o potencial de carbono na superfície. A camada medida, portanto, reflete um problema de fronteira móvel: o carbono deixa o aço, a atmosfera consome ou fornece espécies portadoras de carbono, e a microestrutura utilizada para definir a fronteira pode mudar durante o mesmo ciclo térmico.

Essa distinção é importante porque a “profundidade de descarbonetação” é um resultado de medição, e não uma única grandeza física independente do método. A ISO 3887:2023, Steels — Determination of the depth of decarburization, especifica três métodos para determinar a profundidade em produtos de aço. A ASTM E1077-14(2021), Standard Test Methods for Estimating the Depth of Decarburization of Steel Specimens, inclui procedimentos de triagem, análise microscópica, dureza por microindentação e análise química; ela designa a análise quantitativa rigorosa ou linear como abordagem de referência quando os resultados são contestados. A SAE J419_201801, Methods of Measuring Decarburization, também fornece práticas de análise microscópica, de dureza e química. Consequentemente, uma curva de temperatura obtida a partir da espessura de ferrita não é intercambiável com outra obtida a partir da recuperação da dureza ou de um perfil de concentração de carbono.

Efeitos do aquecimento e da manutenção da temperatura

Durante o aquecimento, a superfície pode começar a perder carbono antes que o componente atinja sua temperatura nominal de manutenção. A força motriz relevante é a diferença entre a atividade do carbono no aço e o potencial efetivo de carbono da atmosfera do forno. Uma atmosfera com baixo potencial de carbono extrai carbono por meio de reações superficiais que envolvem espécies portadoras de oxigênio, enquanto o carbono se difunde do interior em direção à superfície. O capítulo da ASM, Steel Decarburization—Mechanisms, Models, Prevention, Correction, and Effects on Component Life, descreve esse processo acoplado como a difusão do carbono através do ferro austenítico em direção à superfície, seguida por reações que formam monóxido de carbono ou dióxido de carbono gasosos.

A estimativa de difusão mais simples sugere que a profundidade afetada varia aproximadamente com a raiz quadrada do tempo, $x\sim \sqrt{\mathrm{Dt}}$, em que $D$ é a difusividade do carbono. Como $D$ aumenta fortemente com a temperatura, uma temperatura mais elevada e um tempo de manutenção mais longo podem aumentar a distância ao longo da qual a concentração de carbono se altera. Essa relação é útil, mas incompleta. Ela pressupõe uma fase estável, uma condição superficial fixa e uma concentração na fronteira que não se altera. O aquecimento no forno viola as três premissas.

A formação de austenita altera a solubilidade e o transporte do carbono. Em temperaturas abaixo da faixa de transformação relevante, o carbono se move através da ferrita, enquanto, acima dela, é transportado através da austenita, e a superfície pode desenvolver ferrita, perlita ou outros produtos de baixo carbono durante o resfriamento. A temperatura na qual essas transformações ocorrem depende da composição e do histórico térmico. O silício e o manganês deslocam o comportamento de transformação e alteram a estabilidade e a aparência da microestrutura próxima à superfície. Portanto, uma camada que aparece como ferrita descarbonetada após o resfriamento é o registro final tanto do perfil de carbono em alta temperatura quanto da trajetória de transformação.

O tempo de manutenção também altera a oportunidade de a atmosfera reagir com a superfície. Uma exposição curta pode produzir uma camada empobrecida em carbono sem muita carepa. Uma exposição mais longa pode aprofundar o gradiente de carbono, engrossar o óxido, fissurar ou desprender a carepa e expor metal novo ao gás. A carepa pode temporariamente dificultar o acesso do gás, mas também pode criar trajetórias locais de reação quando se torna porosa ou se desprende. O efeito do tempo não permanece necessariamente proporcional a $\sqrt{t}$.[2][2] Furnace Atmosphere Controls in Heat Treating. ASM International. ASM Handbook, 2013.

O controle da atmosfera deve ser incluído em qualquer comparação de temperatura. A orientação da ASM de 2013 identifica a concentração de vapor de água, a concentração de dióxido de carbono e a pressão parcial de oxigênio como variáveis do forno utilizadas para controlar o potencial de carbono e evitar a descarbonetação. O suplemento de 2020 do 2704CP Handbook da Eurotherm descreve a inferência comum do potencial de carbono a partir das medições de oxigênio realizadas com sonda de zircônia, combinadas com a temperatura do forno e o teor de monóxido de carbono, ou a partir da medição do ponto de orvalho. Essas leituras são importantes porque dois ensaios realizados à mesma temperatura do aço podem impor atividades superficiais de carbono diferentes. A orientação de sinterização da Linde, de 2023, relata que o vapor de água em atmosferas de nitrogênio/hidrogênio causa descarbonetação e fornece uma diretriz experimental segundo a qual menos de 5% de hidrogênio limita as velocidades de carburação e descarbonetação nas condições de sinterização citadas. Essa diretriz aplica-se às condições de sinterização especificadas; não é uma regra geral para fornos.

O exemplo do aço para molas entre 700 e 1000 °C

Um contraexemplo particularmente útil a uma explicação baseada apenas na temperatura vem de um estudo de 2021 publicado no Journal of Materials Research and Technology sobre um aço para molas Fe-0.6C-1.8Si-0.8Mn. O material foi ensaiado entre 700 e 1000 °C. A espessura da ferrita descarbonetada aumentou à medida que a temperatura se elevou na parte inferior da faixa ensaiada, atingiu um máximo aproximadamente entre 800 e 825 °C e, em seguida, diminuiu em temperaturas mais altas dentro daquele experimento.

O resultado é não monotônico. Isso não significa que a difusão tenha se tornado mais lenta acima de 825 °C. Em geral, a difusão do carbono se torna mais rápida à medida que a temperatura aumenta. Em vez disso, vários efeitos concorrentes se modificaram simultaneamente. Na faixa inferior de temperatura do ensaio, o aumento da temperatura acelerou o transporte de carbono e as reações superficiais, proporcionando simultaneamente exposição suficiente para o desenvolvimento de uma região ferrítica descarbonetada mais ampla. À medida que a temperatura se aproximou e ultrapassou aproximadamente 800–825 °C, a estabilidade de fases e o comportamento de transformação se alteraram. A quantidade e a morfologia da ferrita visível após o resfriamento já não representavam uma simples extensão da camada formada em temperaturas mais baixas.

A oxidação superficial também se tornou mais influente. Em temperaturas mais altas, os gases do forno que contêm oxigênio podem reagir mais rapidamente com o ferro e o carbono. A publicação da Cambridge, Atmosphere control for the protection of metals during production processes, observa que a exposição direta a atmosferas de combustão com excesso de oxigênio pode produzir oxidação, formação de carepa e descarbonetação. Uma carepa espessa ou alterada pode modificar o fornecimento de gás reativo ao metal, enquanto sua formação pode consumir ferro superficial e alterar o local em que a perda de carbono é registrada. Assim, uma oxidação mais rápida pode aumentar a severidade química da atmosfera, ao mesmo tempo que reduz, redistribui ou obscurece a zona ferrítica selecionada para a medição.

O máximo relatado no estudo deve ser interpretado como consequência da composição Fe-0.6C-1.8Si-0.8Mn, do ciclo entre 700 e 1000 °C, da duração da exposição, da atmosfera do forno, da geometria do corpo de prova, da trajetória de resfriamento e da definição escolhida para ferrita descarbonetada. Não se trata de uma lei universal segundo a qual os aços para molas atingem a descarbonetação máxima entre 800 e 825 °C. Outro grau de aço, outra atmosfera ou outro tempo de manutenção pode deslocar o máximo ou eliminá-lo completamente da faixa ensaiada.

Por que uma temperatura mais alta nem sempre significa uma camada medida mais espessa

Três perguntas distintas costumam ser condensadas em uma só: quanto carbono deixou o aço, até que distância se estendeu a perturbação da concentração e quanto material descarbonetado foi indicado pelo método de ensaio. Uma temperatura mais alta pode aumentar as duas primeiras grandezas e, ao mesmo tempo, diminuir a terceira.

A reação superficial pode se tornar tão rápida que a oxidação, o crescimento da carepa ou as limitações do fluxo gasoso passam a controlar a condição de fronteira. Se a superfície estiver coberta por uma carepa compacta, a remoção de carbono poderá ser restringida após um período inicial. Se a carepa se tornar porosa ou se desprender, a reação poderá voltar a se acelerar. O vapor de água, o dióxido de carbono, a pressão parcial de oxigênio, o monóxido de carbono e o hidrogênio afetam individualmente o equilíbrio entre oxidação, remoção de carbono e troca de carbono. Portanto, o potencial de carbono é uma variável de controle do forno, e não uma propriedade fixa da temperatura.

A transformação de fase fornece outra razão para uma espessura medida menor. Uma região austenítica empobrecida em carbono pode se transformar durante o resfriamento em ferrita e outros produtos cuja aparência depende da velocidade de resfriamento e da composição local. Em uma temperatura de tratamento mais alta, a morfologia ferrítica final pode ser mais fina, descontínua ou substituída, próxima à superfície, por óxido e produtos transformados, mesmo quando o transporte de carbono foi rápido. Um critério microscópico baseado na ferrita pode então indicar uma profundidade menor do que aquela revelada por um perfil químico.

O método de medição pode inverter a classificação aparente de dois tratamentos. A metalografia pode localizar a fronteira com base na morfologia da ferrita; a dureza por microindentação pode identificar uma transição de dureza em outra posição; e a análise química pode mostrar um gradiente mais amplo, sem uma interface nítida. A ASTM E1077-14(2021) reconhece essas distinções ao abranger os quatro tipos de procedimento e reservar a análise quantitativa ou linear para uso como referência em disputas. Portanto, as comparações devem manter constantes a orientação do corpo de prova, a preparação da seção, o ataque metalográfico, a ampliação, o espaçamento entre as medições de dureza, a profundidade de amostragem e o critério de relato.

A conclusão prática é direta: a temperatura deve ser tratada como uma coordenada em um experimento térmico, químico e microestrutural acoplado. Uma comparação válida registra a velocidade de aquecimento, a duração da manutenção, a composição da atmosfera ou o potencial de carbono, a condição da carepa, a trajetória de resfriamento, a designação do aço e o método de medição. O resultado obtido para Fe-0.6C-1.8Si-0.8Mn entre 700 e 1000 °C mostra por que um aumento de temperatura pode primeiro engrossar e depois reduzir a camada de ferrita descarbonetada relatada. É uma evidência contra uma regra monotônica de temperatura, não uma evidência de que a temperatura seja irrelevante.

Atmosferas de Forno e as Principais Causas do Processo

A descarburização não é causada por “oxidação” no sentido amplo de qualquer entrada de oxigênio no forno. Ela ocorre quando a superfície do aço perde carbono mais rapidamente do que o carbono pode ser fornecido pelo interior. O equilíbrio determinante envolve a atividade do carbono no aço, a atividade do carbono no gás, a cinética das reações superficiais, a difusão através da austenita ou da ferrita, a temperatura e o fornecimento de espécies oxidantes. Portanto, um forno pode produzir carepa sem produzir a mesma profundidade de descarburização que outro forno, e uma pequena alteração na composição do gás pode modificar o resultado mesmo quando a temperatura programada e o tempo de permanência permanecem inalterados.

O capítulo do ASM Handbook, Steel Decarburization—Mechanisms, Models, Prevention, Correction, and Effects on Component Life, descreve a difusão do carbono através do ferro austenítico em direção à superfície, enquanto as reações superficiais consomem carbono. O NIST define uma zona de descarburização como a perda de carbono e de fases ricas em carbono próxima à superfície, quando o carbono superficial reage com o oxigênio para formar monóxido de carbono ou dióxido de carbono gasosos. A questão prática não é simplesmente saber se há oxigênio presente. É saber se a reação superficial reduz suficientemente a atividade do carbono na superfície para estabelecer um gradiente de carbono no interior do aço.

O documento do ASM, Furnace Atmosphere Controls in Heat Treating, identifica a concentração de vapor de água, a concentração de dióxido de carbono e a pressão parcial de oxigênio como variáveis do forno utilizadas para controlar o potencial de carbono e evitar a descarburização. Essas variáveis devem ser tratadas como medições operacionais, e não como explicações posteriores. A orientação da Eurotherm de 2020 descreve a inferência comum do potencial de carbono a partir de uma medição de oxigênio com sonda de zircônia combinada com a temperatura do forno e o teor de monóxido de carbono, ou a partir do ponto de orvalho. Cada método tem limitações; portanto, o registro do forno deve relacionar as leituras do gás, o histórico de temperatura, a posição da carga, o fluxo de gás e a condição medida do aço.

Vapor de água, dióxido de carbono, pressão parcial de oxigênio e produtos da combustão

O vapor de água costuma ser o primeiro suspeito porque pode oxidar o carbono na superfície do aço. Uma reação simplificada é:

$${\mathrm{C}}_{\mathrm{steel}}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to \mathrm{CO}+{\mathrm{H}}_2$$

O dióxido de carbono pode participar por meio de:

$${\mathrm{C}}_{\mathrm{steel}}+{\mathrm{CO}}_2\to 2\mathrm{CO}$$

Os produtos são gasosos; portanto, o carbono é removido da região próxima à superfície, em vez de permanecer como um óxido rico em carbono. A pressão parcial de oxigênio também é importante porque governa a tendência à formação de óxidos de ferro e influencia as reações que estabelecem os níveis de monóxido de carbono e dióxido de carbono. Essas reações são acopladas: um gás com baixo teor de oxigênio no volume total ainda pode conter vapor de água ou dióxido de carbono suficientes para reduzir a atividade do carbono na superfície.

O monóxido de carbono não é automaticamente protetor. Seu efeito depende do equilíbrio entre as reações de cementação e descarburização, da temperatura do gás, da composição do aço e da razão entre CO e CO₂. Um gás que contenha CO pode adicionar carbono sob uma determinada condição de potencial de carbono e removê-lo sob outra. Portanto, o potencial de carbono é um conceito de equilíbrio químico, e não um rótulo associado a um gás específico. A taxa de troca de carbono também depende da cinética das reações superficiais; a difusão no interior do aço pode ser rápida enquanto a reação superficial permanece como etapa controladora, ou pode ocorrer o inverso.

Os produtos da combustão podem perturbar rapidamente esse equilíbrio. Um queimador sem controle adequado pode produzir excesso de oxigênio, alto teor de vapor de água ou uma razão CO₂/CO anormal. A combustão rica em combustível pode gerar monóxido de carbono e depósitos relacionados à fuligem, enquanto a infiltração de ar pode elevar o oxigênio e a umidade depois que o gás entra no forno. Uma carga úmida, um refratário úmido ou um dispositivo de fixação lavado recentemente podem liberar vapor durante o aquecimento. Um vazamento em uma porta, vedação, bloco do queimador, eixo do ventilador ou seção de resfriamento pode aspirar o ar ambiente, especialmente quando a pressão do forno cai abaixo da pressão ambiente.

Essas observações são hipóteses de controle do processo, não diagnósticos. A afirmação de que “o forno vazou” exige confirmação por meio de leituras de pressão, verificações com gás traçador, inspeção das vedações, tendências do ponto de orvalho ou amostragem localizada do gás. A afirmação de que “o gás estava úmido” exige uma medição calibrada do ponto de orvalho ou da umidade, além de uma análise do desempenho do secador, da temperatura das tubulações e da prática de purga. Uma carga contaminada pode conter óleo, fluido de corte, ferrugem, carepa ou resíduos de limpeza que se decompõem e alteram a composição local do gás. A inspeção da carga e a comparação dos resultados por localização podem distinguir um problema gerado pela carga de uma falha geral da atmosfera do forno.

A temperatura torna a interpretação menos evidente. Em um estudo de 2021 publicado no Journal of Materials Research and Technology, realizado com aço para molas Fe-0.6C-1.8Si-0.8Mn testado entre 700 e 1000 °C, a espessura da ferrita descarburizada aumentou até aproximadamente 800–825 °C e depois diminuiu. Esse resultado não monotônico demonstra por que a temperatura, isoladamente, é uma explicação inadequada. Temperaturas mais elevadas aceleram a difusão do carbono e as reações superficiais, mas também podem alterar a formação de óxidos, o equilíbrio do gás, a constituição das fases e a velocidade com que o carbono é reposto a partir do interior.

Atmosferas com excesso de oxigênio e formação de carepa

A publicação da Cambridge, Atmosphere control for the protection of metals during production processes, apresenta um alerta direto: a exposição a atmosferas de combustão com excesso de oxigênio pode produzir oxidação, formação de carepa e descarburização, que talvez exijam remoção posterior. Essa afirmação é mais específica do que dizer que carepa e descarburização são sempre idênticas. A carepa é um produto de óxido sobre a superfície ou próximo dela; a descarburização é uma alteração do teor de carbono e da microestrutura que contém carbono. Elas frequentemente ocorrem em conjunto porque uma superfície oxidante consome carbono enquanto o ferro reage com o oxigênio, mas suas profundidades e velocidades não precisam ser iguais.

Uma atmosfera com excesso de oxigênio pode resultar de uma razão ar-combustível incorreta, deriva do controle do queimador, mistura inadequada, falha de um instrumento de controle de oxigênio ou entrada de ar pelas aberturas do forno. Um forno também pode apresentar uma composição média aceitável do gás enquanto um jato do queimador ou a borda da carga é submetido a uma pluma localmente oxidante. A disposição da carga é importante. O empilhamento compacto pode bloquear a circulação do gás e criar bolsões locais; cantos expostos e bordas de ataque podem reagir mais intensamente do que superfícies protegidas.

A carepa pode ocultar as evidências. O óxido pode se desprender durante a transferência, o jateamento, o endireitamento ou a decapagem, deixando uma superfície de aparência limpa, mas com um gradiente subsuperficial de carbono. Por outro lado, uma camada de carepa escura ou espessa não estabelece a profundidade exata da descarburização. A investigação do forno deve comparar a aparência da carepa, o carbono superficial, o perfil de dureza, a estrutura metalográfica e os registros da atmosfera, em vez de inferir um parâmetro a partir de outro.

O controle começa com uma combustão estável e uma pressão do forno verificada. O ajuste de oxigênio do queimador, a pressão do combustível, a pressão do ar, a posição do damper, a pressão do forno e a condição do exaustor devem ser verificados com instrumentos calibrados. A abertura da porta, a prática de carregamento e os intervalos entre a transferência e a têmpera podem admitir ar no estágio mais prejudicial. Se o resultado variar ao longo da carga, deve-se mapear as superfícies afetadas e correlacioná-las com as posições dos queimadores, as entradas de gás, as vedações e os padrões de fluxo. Se todas as superfícies apresentarem alteração semelhante, deve-se revisar o histórico dos valores programados, o fornecimento de gás e o controle do potencial de carbono.

Atmosferas de sinterização N2/H2 e o papel da umidade[3][3] Sintering of steels. Linde. Linde technical guidance, 2023.

As atmosferas de nitrogênio-hidrogênio utilizadas na sinterização de metais em pó exigem uma cautela específica. O hidrogênio é comumente incluído para reduzir óxidos e favorecer um ambiente de sinterização limpo, mas a atmosfera não é automaticamente neutra em relação ao carbono. A orientação da Linde de 2023, Sintering of steels, afirma que o vapor de água em atmosferas de N₂/H₂ causa descarburização. A umidade pode reagir com o carbono presente no compactado ou na superfície do aço, enquanto o hidrogênio altera o equilíbrio e o comportamento de transporte da mistura gasosa.

A Linde também cita uma diretriz experimental segundo a qual menos de 5% de hidrogênio limita as taxas de cementação e descarburização nas condições de sinterização especificadas. Esse valor deve permanecer vinculado a essas condições. Ele não constitui uma regra universal para fornos de tratamento térmico, forjamento, recozimento ou para todas as composições de metais em pó. Aplicá-lo sem verificar a temperatura, o ponto de orvalho, o teor de carbono, a velocidade do gás, o tempo de residência e o projeto do forno transformaria um resultado específico de determinado contexto em uma especificação enganosa.

Na sinterização, a umidade pode entrar com o nitrogênio ou o hidrogênio fornecidos, formar-se devido à secagem incompleta, condensar em tubulações frias ou ser liberada por refratários e dispositivos de fixação. Um aumento do ponto de orvalho durante uma corrida de produção pode indicar um problema no secador, um componente resfriado a água com vazamento, uma purga inadequada ou material de entrada úmido. A resposta deve verificar a origem por meio de medições do ponto de orvalho no fornecimento de gás e na entrada do forno, testes de vazamento, verificações da temperatura das tubulações e comparação entre operações com o forno vazio e com o forno carregado.[4][4] Standard Test Methods for Estimating the Depth of Decarburization of Steel Specimens. ASTM International. ASTM standard, 2021.

A composição do gás, isoladamente, é insuficiente. O pó que contém carbono, a decomposição do lubrificante, os depósitos do forno e a geometria do compactado podem alterar a atmosfera local ao redor das peças. Deve-se medir o carbono ou a microestrutura em várias posições, registrar o ponto de orvalho durante todo o ciclo térmico e comparar o resultado com o padrão de fluxo de gás do forno. Quando houver uma controvérsia sobre a profundidade medida, a ISO 3887:2023 especifica três métodos para determinar a profundidade de descarburização em produtos de aço. A ASTM E1077-14(2021) abrange procedimentos de triagem, análise microscópica, ensaio de microdureza por indentação e análise química, sendo a análise quantitativa rigorosa ou linear designada como abordagem de referência em disputas. O diagnóstico da atmosfera e o método de medição devem ser analisados em conjunto; a alteração de qualquer um deles pode modificar o resultado relatado do processo.

Como a Descarbonetação é Medida de Acordo com as Normas

Uma profundidade de descarbonetação informada não é uma propriedade única e independente do método. Ela é o resultado de um sistema de ensaio: a norma selecionada, a seção cortada do produto, a preparação da superfície, a resolução do instrumento e a regra utilizada para decidir onde termina a descarbonetação. Dois laboratórios podem examinar a mesma barra e obter profundidades diferentes sem que nenhuma das medições tenha sido realizada de forma negligente.

A razão metalúrgica é simples, mas importante. Durante o aquecimento, o carbono se desloca através da austenita em direção a uma superfície cuja atividade de carbono é menor que a do aço. Reações superficiais envolvendo oxigênio, vapor de água e dióxido de carbono podem consumir carbono por meio da formação de monóxido de carbono ou dióxido de carbono. Se a atmosfera do forno fornecer carbono com atividade suficiente, a reação poderá ser reduzida ou revertida; caso contrário, a difusão a partir do interior alimentará a reação superficial. A ASM identifica a concentração de vapor de água, a concentração de dióxido de carbono e a pressão parcial de oxigênio como variáveis do forno utilizadas para controlar o potencial de carbono e limitar a descarbonetação. A Eurotherm descreve estimativas comuns do potencial de carbono baseadas em medições de oxigênio por sonda de zircônia juntamente com a temperatura do forno e o teor de monóxido de carbono, ou em medições do ponto de orvalho.

A zona medida, portanto, depende do histórico térmico e atmosférico, e não apenas da temperatura máxima. Um estudo de 2021 sobre aço para molas Fe-0.6C-1.8Si-0.8Mn, ensaiado de 700 a 1000 °C, constatou que a espessura da ferrita descarbonetada aumentou até aproximadamente 800–825 °C e, em seguida, diminuiu. Esse resultado alerta contra o tratamento da temperatura como uma variável de controle unidirecional: a difusão se acelera com a temperatura, mas a formação de óxidos, a constituição das fases, a cinética superficial e o potencial de carbono disponível também se modificam.

A ISO 3887:2023 e seus três métodos de medição

A ISO 3887:2023, Aços — Determinação da profundidade de descarbonetação, especifica três métodos para produtos de aço. Conceitualmente, eles correspondem ao exame metalográfico, à medição de dureza e à análise química. A norma, portanto, não declara que um único ensaio universal defina a descarbonetação. Ela oferece diferentes abordagens adequadas a diferentes materiais, geometrias, requisitos de aceitação e capacidades laboratoriais.

A abordagem metalográfica examina uma seção transversal polida, partindo da superfície original em direção ao interior. O ataque revela alterações na microestrutura, como uma camada ferrítica, redução do teor de perlita ou carbonetos e uma transição em direção ao núcleo não afetado. Esse método pode distinguir a descarbonetação completa, na qual as fases ricas em carbono desapareceram substancialmente, da descarbonetação parcial, na qual o teor de carbono ou a fração de perlita e carbonetos diminuiu, mas os constituintes originais permanecem. Seu ponto forte é a evidência visual direta. Sua limitação é que o limite pode ser gradual, apresentar bandamento ou ser afetado pelo contraste do ataque. Uma linha medida é, portanto, uma interpretação de uma transição, e não uma interface naturalmente nítida.

A abordagem por dureza utiliza medições realizadas a distâncias controladas da superfície. Uma camada superficial com menor teor de carbono geralmente apresenta menor dureza que o material não afetado, embora elementos de liga, tamanho de grão, fases retidas, resposta ao revenimento e tensão residual também possam alterar a dureza. A microindentação é especialmente útil quando a camada afetada é fina, mas as indentações devem ser suficientemente pequenas e afastadas entre si para evitar a sobreposição das zonas plásticas. Um espaçamento adequado para uma zona espessa pode obscurecer uma zona rasa. Por outro lado, um espaçamento muito pequeno pode tornar as leituras individuais sensíveis aos grãos locais e aos danos de preparação.

A análise química mede o carbono em função da distância da superfície, seja por meio da remoção de camadas individuais, seja por outra técnica com resolução espacial. É a abordagem mais direta quando o critério de aceitação é a concentração de carbono, e não um limite de fase visível. Ela também apresenta uma limitação importante: a resolução química. Se o material for removido em camadas de 0,05 mm, não se pode atribuir de forma confiável um limite informado a 0,005 mm. Contaminação superficial, carepa, ferrita descarbonetada misturada ao metal não afetado e o volume amostrado pelo método analítico podem deslocar o perfil aparente.

A ISO 3887:2023 deve ser tratada como uma estrutura de referência para a escolha e a comunicação de um desses métodos. Uma profundidade microscópica, uma profundidade de transição de dureza e uma profundidade de perda de carbono definida quimicamente podem ser todas válidas, embora descrevam limites diferentes. O relatório deve identificar o método e a definição utilizados, em vez de apresentar “profundidade” como se o termo fosse autoexplicativo.

Famílias de procedimentos da ASTM E1077-14(2021)

A ASTM E1077-14(2021), Métodos de ensaio padrão para estimar a profundidade de descarbonetação de corpos de prova de aço, organiza o problema em procedimentos de triagem, microscópicos, de microdureza por indentação e de análise química. Essas são famílias de procedimentos, e não nomes intercambiáveis para o mesmo ensaio.

A triagem é a etapa de decisão rápida. Um exame com baixa ampliação ou um percurso limitado de dureza pode indicar se uma superfície não apresenta descarbonetação evidente, se possui uma zona substancial ou se apresenta uma condição que requer um trabalho mais preciso. A triagem é útil para verificações de produção e para a seleção de corpos de prova, mas não é automaticamente adequada para um limite de aceitação rigoroso. Um exame visual grosseiro pode não detectar uma camada fina de descarbonetação parcial; um intervalo amplo de dureza pode ocultar um gradiente raso.

O exame microscópico fornece uma estimativa linear ou quantitativa quando a seção é preparada e medida cuidadosamente. O corpo de prova deve ser cortado de modo que a face examinada fique perpendicular à superfície original. Uma seção longitudinal responde a uma pergunta diferente daquela respondida por uma seção transversal: ela pode revelar variações ao longo do produto e pode atravessar a estrutura de laminação ou de forjamento de maneira diferente. A superfície original deve permanecer identificável. A retificação pode remover uma zona fina, o arredondamento pode distorcer a borda e um ataque excessivo pode exagerar o contraste.

A ampliação altera o resultado prático. Em baixa ampliação, o operador pode informar a faixa mais externa visivelmente alterada. Em ampliações maiores, o empobrecimento fino de carbonetos ou uma região ferrítica estreita podem se tornar mensuráveis. O campo de visão, a iluminação, o reagente de ataque, a calibração e o número de locais medidos são fatores importantes. A ASTM E1077-14(2021) identifica a análise quantitativa ou linear rigorosa como a abordagem de arbitragem em caso de disputas. Essa designação reflete um princípio sólido: quando um resultado é contestado, o laboratório deve substituir uma impressão visual por medições documentadas ao longo de linhas ou em locais definidos.

O ensaio de microdureza por indentação converte o gradiente de propriedades entre a superfície e o núcleo em uma estimativa de profundidade. O percurso de medições deve começar suficientemente afastado da borda para evitar efeitos de borda, mas próximo o bastante para resolver a zona esperada. O espaçamento entre indentações, a carga, o tempo de permanência, a planicidade da superfície e o critério para o retorno à dureza do núcleo devem ser informados. Se as indentações forem muito espaçadas, a profundidade declarada se tornará um intervalo, e não um limite preciso. Se estiverem muito próximas, a deformação causada por uma indentação poderá influenciar a seguinte.

A análise química é preferível quando a própria concentração de carbono controla a decisão, mas o volume amostrado e o limite de detecção estabelecem a menor característica que pode ser considerada confiável. Um perfil de carbono medido quimicamente pode mostrar uma diminuição gradual mesmo quando a microscopia revela uma mudança de fase nítida. Um resultado não deve ser reclassificado como se fosse o outro.

SAE J419_201801 e a seleção do método

A SAE J419_201801, Métodos de medição da descarbonetação, apresenta práticas recomendadas de microscopia, dureza e análise química para materiais ferrosos. Ela deve ser utilizada em conjunto com a especificação do produto e o registro do tratamento térmico, e não como substituta de nenhum deles. A ISO 3887:2023 fornece três abordagens de medição definidas para produtos de aço; a ASTM E1077-14(2021) estabelece conceitos de estimativa e arbitragem; a SAE J419_201801 fornece orientações práticas sobre os métodos. As designações devem permanecer visíveis no relatório, pois estabelecem contextos procedimentais diferentes.

A seleção do método deve seguir o risco associado à falha. Escolha a microscopia quando a questão relevante envolver descarbonetação completa ou parcial e a microestrutura puder ser interpretada de forma confiável. Escolha a microdureza por indentação quando for importante avaliar um gradiente de propriedades e a camada for suficientemente espessa para permitir um percurso de medições defensável. Escolha a análise química quando for especificado um limite de teor de carbono ou quando os elementos de liga e o tratamento térmico tornarem a dureza um indicador indireto ambíguo. Utilize a triagem apenas para uma decisão preliminar, a menos que o requisito aplicável ao produto permita explicitamente seu uso.

Todo relatório deve informar o produto e o grau, a especificação aplicável, a orientação da seção, a localização e o número das áreas examinadas, a sequência de preparação da superfície, a ampliação do microscópio ou a carga e o espaçamento das medições de dureza, a resolução analítica, o critério de definição do limite e a convenção de comunicação dos resultados. Também deve distinguir a profundidade máxima da profundidade média e indicar se o valor se refere à descarbonetação completa, à descarbonetação parcial ou à profundidade total afetada.

Esse nível de detalhe não é mera burocracia em torno da medição. Ele faz parte da própria medição. Um valor de descarbonetação sem a definição do limite e sem o método utilizado pode criar uma falsa discordância, enquanto um método cuidadosamente identificado torna comparáveis os resultados de diferentes laboratórios, dentro de suas limitações reais.

Medição Metalográfica: O Que o Microscópio Pode e Não Pode Mostrar

Preparação e ataque da seção transversal

O exame metalográfico deve começar com uma seção retirada normal, ou perpendicular, à superfície processada. Para uma chapa, barra, fio ou peça forjada, o corte deve expor todo o trajeto desde a superfície original até o material não afetado. Uma seção paralela à superfície não pode estabelecer a profundidade da descarbonetação, pois mostra uma variação lateral, e não a transição necessária entre a superfície e o núcleo. A amostragem também deve registrar a orientação do produto, a condição do tratamento térmico, a localização na superfície e qualquer operação de usinagem ou remoção de carepa realizada antes do exame.

A face de corte deve ser protegida contra aquecimento adicional. O corte abrasivo com força excessiva pode revenir a superfície, espalhar material amolecido sobre a seção ou arrancar inclusões. Esses efeitos podem criar uma falsa faixa próxima à superfície. Quando necessária, a embutidura deve sustentar a borda sem arredondá-la; o arredondamento da borda reduz a distância aparente entre a superfície e a primeira estrutura não afetada. O lixamento deve prosseguir com abrasivos progressivamente mais finos, com lubrificação suficiente e controle da pressão, para remover o dano anterior em vez de ampliá-lo. O polimento final não deve deixar metal arrastado, abrasivo incrustado nem riscos profundos atravessando a superfície.

A superfície original do produto precisa permanecer identificável. Se a carepa for removida antes do seccionamento, o laboratório deve registrar esse fato e, quando possível, conservar uma peça representativa. Caso contrário, o analista poderá confundir a interface carepa–metal com a superfície de fabricação e relatar uma profundidade incorreta. Uma camada de óxido visivelmente escura não constitui, por si só, uma medição de descarbonetação. A carepa registra a oxidação; a descarbonetação registra a perda de carbono no aço subjacente, e os dois fenômenos podem ocorrer em conjunto, separadamente ou em taxas diferentes.

O ataque revela o contraste entre as fases após o polimento. O reagente e o tempo de ataque devem ser adequados ao grau do aço e ao exame pretendido. O nital é amplamente utilizado em aços carbono e de baixa liga, mas a concentração, a condição do álcool, o tempo de aplicação e o enxágue afetam o contraste. O ataque excessivo pode escurecer a ferrita ou fazer uma transição parecer mais ampla. O ataque insuficiente pode ocultar a perlita fina e produzir uma camada aparentemente empobrecida em carbono. Uma superfície corretamente preparada e não atacada continua sendo útil para verificar danos de lixamento, poros, inclusões e penetração de carepa; a superfície atacada é então utilizada para interpretar a estrutura do aço.

O microscópio não mede o carbono diretamente. Ele mostra como o teor de carbono, a história térmica, os elementos de liga, a velocidade de resfriamento e as reações superficiais afetaram a estrutura.

Interpretação da ferrita, da perlita e do gradiente de carbono

Em um aço carbono hipoeutetoide, a perda de carbono durante o aquecimento austenítico normalmente produz uma região próxima à superfície com mais ferrita e menos perlita do que o interior. O interior pode apresentar a estrutura ferrita–perlita esperada, enquanto a zona superficial contém grãos de ferrita que se estendem mais para dentro do que no material não afetado. Essa é a indicação metalográfica usual de descarbonetação parcial. Se o empobrecimento em carbono for suficientemente severo, a região superficial visível poderá ser quase inteiramente ferrítica, o que frequentemente é descrito como descarbonetação completa segundo os critérios de ensaio aplicáveis.

A transição raramente é um limite químico nítido. O carbono se difunde através da austenita em direção a uma superfície cuja atividade de carbono é menor que a do aço. Na superfície, reações envolvendo oxigênio, vapor de água, dióxido de carbono ou outros gases do forno consomem carbono ou alteram o balanço interfacial de carbono. Portanto, a estrutura medida reflete conjuntamente a difusão, a cinética das reações superficiais, a temperatura, o tempo de exposição e o potencial de carbono do forno. A obra da ASM, Steel Decarburization—Mechanisms, Models, Prevention, Correction, and Effects on Component Life, descreve esse processo acoplado, em vez de tratá-lo apenas como oxidação.

Ferrita e perlita são indicadores úteis, mas não constituem prova automática de descarbonetação. Uma faixa rica em ferrita pode resultar de uma alteração local na velocidade de resfriamento, de uma região afetada pelo calor transformada ou do gradiente microestrutural original decorrente de forjamento ou laminação. Um artefato de região afetada pelo calor causado por soldagem, corte a chama, retificação ou um reparo anterior pode produzir alteração no tamanho dos grãos e no contraste de fases sem um gradiente de carbono correspondente. A segregação também pode alterar a fração local de perlita. Uma faixa de segregação de manganês ou silício, por exemplo, pode alterar o comportamento de transformação e produzir uma estrutura diferente das áreas adjacentes, mesmo que a concentração de carbono não tenha diminuído na superfície.

O analista deve comparar vários locais ao redor do perímetro e, quando possível, examinar uma região de referência não afetada do mesmo produto e da mesma corrida. A profundidade deve ser verificada em relação a uma mudança na fração de fases, na morfologia dos grãos ou na dureza — não inferida a partir de uma única fotografia isolada. Uma redução gradual da perlita em direção à superfície sustenta a hipótese de empobrecimento em carbono quando a superfície está corretamente identificada e a história térmica é conhecida. Isso não estabelece a causa relacionada ao forno.

A transformação de fases pode complicar ainda mais a interpretação. Um aço que foi austenitizado e resfriado rapidamente pode conter martensita ou bainita sob uma camada superficial ferrítica. O limite aparente pode representar uma mudança no teor de carbono, uma mudança na velocidade de resfriamento ou ambas. Em graus de médio carbono, como AISI/SAE 1045, uma superfície ferrítica sobre um núcleo transformado mais duro pode ser compatível com descarbonetação, mas o metalógrafo ainda precisa de evidências de dureza ou químicas se o resultado for contestado. Em graus ligados, cromo, molibdênio, silício e manganês influenciam a estabilidade das fases e a resposta ao ataque; portanto, é inseguro fazer uma comparação visual com aço carbono comum.

A temperatura, por si só, também não pode prever a camada observada. Um estudo de 2021 sobre aço-mola Fe-0.6C-1.8Si-0.8Mn, ensaiado entre 700 e 1000 °C, constatou que a espessura da ferrita descarbonetada aumentou até aproximadamente 800–825 °C e depois diminuiu. A maior difusão em temperaturas mais altas não produziu um aumento monotônico, porque as condições de oxidação e de reação superficial também mudaram. Essa é uma das razões pelas quais o resultado microscópico deve ser analisado juntamente com os registros da atmosfera do forno. A ASM identifica a concentração de vapor de água, a concentração de dióxido de carbono e a pressão parcial de oxigênio como variáveis do forno relevantes para o potencial de carbono. A Eurotherm descreve a inferência do potencial de carbono a partir de medições de oxigênio com sonda de zircônia combinadas com a temperatura e o teor de monóxido de carbono, ou a partir da medição do ponto de orvalho. Esses controles explicam a exposição; eles não substituem o exame do aço.

Análise linear ou quantitativa em exames de arbitragem

Um exame de triagem pode identificar a existência de uma zona superficial suspeita, mas uma profundidade de descarbonetação relatada exige critérios definidos. A ASTM E1077-14(2021), Standard Test Methods for Estimating the Depth of Decarburization of Steel Specimens, abrange procedimentos de triagem, microscópicos, de dureza por microindentação e de análise química. Ela designa a análise quantitativa ou linear rigorosa como abordagem de arbitragem quando as partes discordam. A ISO 3887:2023, Steels — Determination of the depth of decarburization, especifica três métodos para medir a profundidade em produtos de aço, enquanto a SAE J419_201801, Methods of Measuring Decarburization, apresenta práticas recomendadas de análise microscópica, de dureza e química para materiais ferrosos.

A análise linear converte uma transição visual em uma medição registrada. Uma linha de ensaio é traçada desde a superfície original identificada até o núcleo, e o analista registra a posição na qual o critério estrutural especificado é atendido. Dependendo da norma e do contrato, esse critério pode se referir ao fim da descarbonetação completa, ao fim da descarbonetação parcial ou ao retorno à estrutura normal do núcleo. O relatório deve declarar qual limite foi medido. “Profundidade da descarbonetação”, sem essa definição, pode descrever distâncias diferentes.

Para a microscopia quantitativa, o laboratório deve documentar a ampliação, a escala calibrada, o reagente de ataque, o local da seção, o número e o espaçamento das medições e a regra utilizada para localizar cada limite. É preferível utilizar várias linhas radiais ou transversais em vez de um único campo conveniente, especialmente em barras e peças forjadas, nas quais a exposição pode variar ao redor da circunferência. As imagens devem incluir a referência da superfície e uma barra de escala. Se a transição for irregular, os valores mínimo, máximo, médio e a dispersão das medições podem ser mais importantes do que um único valor arredondado.

Um exame de arbitragem deve separar a observação da interpretação. Ele pode declarar que a fração de ferrita aumenta em direção à superfície, que a perlita desaparece a uma distância medida ou que a dureza muda através da mesma zona. Não deve afirmar que um forno tinha excesso de oxigênio apenas porque a micrografia é rica em ferrita. A penetração de carepa, os danos de polimento, a segregação e uma camada transformada sem relação com o fenômeno devem ser considerados e, quando pertinente, verificados por microscopia sem ataque, perfis de dureza, análise química ou uma segunda seção.

Portanto, o microscópio é poderoso para localizar evidências estruturais, mas limitado para identificar sua causa e o perfil exato de carbono. O conceito de arbitragem da ASTM é importante porque substitui a confiança visual por uma regra de medição documentada. Em uma disputa, o resultado é a reprodutibilidade: outro examinador deve saber de onde veio a seção, como ela foi preparada, qual limite foi definido e como a profundidade relatada foi calculada.

Métodos de Dureza e Análise Química

A descarburização é frequentemente relatada como uma profundidade em milímetros, mas esse número depende de como a profundidade foi medida. Um perfil de dureza registra uma alteração na resposta mecânica local. Um perfil químico registra a composição dentro de um volume amostrado. O exame metalográfico registra fases e morfologia. Essas são observações relacionadas, mas não medições intercambiáveis.

A ISO 3887:2023, Aços — Determinação da profundidade de descarburização, especifica três métodos para medir a profundidade de descarburização em produtos de aço. A ASTM E1077-14(2021), Métodos de ensaio padrão para estimar a profundidade de descarburização de corpos de prova de aço, abrange procedimentos de triagem, microscópicos, de dureza por microindentação e de análise química. A SAE J419_201801, Métodos de medição da descarburização, também estabelece práticas recomendadas de exame microscópico, dureza e análise química para materiais ferrosos. O método apropriado depende de o resultado ser uma triagem de produção, uma medição conforme especificação ou uma evidência em uma falha ou disputa.

Perfis de dureza por microindentação

Um perfil de dureza por microindentação consiste em aplicar uma sequência de pequenas indentações desde a superfície exposta em direção ao interior não afetado e, em seguida, representar graficamente a dureza em função da distância. O ensaio normalmente utiliza indentações Vickers ou Knoop, com carga e espaçamento selecionados para resolver o gradiente esperado sem sobreposição das zonas plásticas. O resultado é um perfil da resposta mecânica próximo à superfície.

Uma camada descarburizada normalmente contém menos perlita, menos carboneto ou uma fração maior de ferrita que o material de base. Portanto, tende a apresentar menor dureza, especialmente em aços de médio e alto teor de carbono, cuja resistência depende fortemente de fases ricas em carbono. O perfil pode mostrar um aumento acentuado da superfície em direção ao núcleo, uma transição gradual ou nenhuma alteração clara. Um critério de dureza especificado pode então ser usado para estimar o limite da zona afetada.

Esse limite não é uma análise direta do teor de carbono. A dureza também responde ao balanço de fases, ao tamanho de grão, à formação de martensita ou bainita, ao revenimento, às tensões residuais, aos elementos de liga, à direção do ensaio e ao bandeamento microestrutural local. Uma superfície macia pode refletir descarburização, mas também pode resultar de uma história térmica diferente ou de uma superfície preparada inadequadamente. Por outro lado, uma região empobrecida em carbono pode manter dureza substancial se seus produtos de transformação ou seu teor de elementos de liga compensarem parte da perda de carbono.

A preparação da superfície é importante. Carepa, queimas de retificação, bordas arredondadas e a colocação de indentações muito próximas à borda podem distorcer as primeiras medições. O penetrador deve ser pequeno o suficiente para detectar o gradiente, mas não tão pequeno a ponto de grãos individuais de ferrita, carbonetos ou a rugosidade superficial dominarem a leitura. Um espaçamento excessivamente pequeno também pode fazer com que indentações vizinhas interajam. O perfil deve atravessar a normal à superfície e prosseguir até uma profundidade suficiente no material, de modo que várias leituras estabeleçam a dureza de referência do material não afetado.

A ASTM E1077-14(2021) inclui a dureza por microindentação entre seus procedimentos de estimativa, mas não transforma um perfil de dureza em um perfil químico. O método é mais convincente quando a transição de dureza concorda com as evidências metalográficas e com o gradiente de carbono esperado. É menos convincente quando o aço foi submetido a têmpera, revenimento, esferoidização ou tratamento superficial complexos.

O histórico do forno também pode produzir um resultado não monotônico. Em um estudo de 2021 publicado no Journal of Materials Research and Technology sobre aço-mola Fe-0.6C-1.8Si-0.8Mn aquecido entre 700 e 1000 °C, a espessura da ferrita descarburizada aumentou com a temperatura até aproximadamente 800–825 °C e depois diminuiu. A temperatura, por si só, não determinou a camada medida. A atividade do carbono na superfície do aço, as reações de oxidação, a difusão através da austenita e o tempo de exposição variaram simultaneamente. Um perfil de dureza obtido após esse ciclo não deve ser interpretado por meio de uma regra simples segundo a qual uma temperatura mais alta sempre significa maior profundidade de descarburização.

Análise química e profundidade de amostragem

A análise química aborda uma questão diferente: quanto carbono está presente no material removido ou amostrado de um local definido? Isso a torna a abordagem mais direta sob o ponto de vista da composição, mas “direta” não significa espacialmente exata. O resultado representa o volume de material coletado, e não necessariamente a concentração de carbono em um único plano geométrico.

A análise de carbono por combustão em massa, por exemplo, pode medir o carbono com precisão em um corpo de prova preparado, enquanto faz a média do carbono em toda a espessura da amostra. Ela não consegue identificar um gradiente superficial de 20 micrômetros se o corpo de prova tiver vários milímetros de espessura. Para resolver a descarburização, o analista deve remover camadas sucessivas, retirar uma lâmina fina cuidadosamente definida ou utilizar uma técnica microanalítica com volume de interação conhecido. A geometria da amostragem passa a fazer parte do resultado.

A remoção da superfície é especialmente importante. Se um corpo de prova for analisado com carepa, óleo, resíduos de retificação ou uma camada de material removida inadvertidamente, o valor de carbono relatado pode não corresponder à superfície original do aço. Decapagem química, usinagem, remoção eletrolítica ou retificação controlada podem alterar a espessura removida em cada etapa e introduzir contaminação. O método deve documentar a superfície inicial de referência, a quantidade removida em cada etapa, a área ou massa coletada e se o valor relatado é uma média em uma camada ou uma medição pontual.

Um perfil químico camada a camada pode revelar uma concentração de carbono que aumenta gradualmente em direção ao núcleo, em vez de uma interface nítida. Esse perfil pode não produzir a mesma “profundidade” que um critério de dureza ou um limite metalográfico. Um método pode definir a profundidade afetada no ponto em que o carbono atinge uma fração escolhida do valor nominal do material a granel; outro pode defini-la no ponto em que a morfologia da ferrita ou dos carbonetos deixa de ser distinguível. Os valores podem diferir sem que nenhum dos ensaios seja inválido.

A atmosfera do forno fornece um contexto útil para interpretar esses perfis. A publicação de 2013 da ASM International, Furnace Atmosphere Controls in Heat Treating, identifica a concentração de vapor de água, a concentração de dióxido de carbono e a pressão parcial de oxigênio como variáveis utilizadas para controlar o potencial de carbono do forno e evitar a descarburização. A troca de carbono é governada pela diferença de atividade do carbono entre o aço e a atmosfera, juntamente com a cinética da reação superficial. O suplemento de 2020 do 2704CP Handbook, da Eurotherm, descreve a inferência comum do potencial de carbono do forno a partir de medições de oxigênio com sonda de zircônia combinadas com a temperatura do forno e o teor de monóxido de carbono, ou a partir da medição do ponto de orvalho.

Essas leituras são evidências do processo, não uma prova do teor de carbono na superfície de um componente. As orientações de sinterização da Linde, de 2023, relatam que o vapor de água em atmosferas de N2/H2 causa descarburização e citam uma diretriz experimental segundo a qual menos de 5% de hidrogênio limitou as taxas de cementação e descarburização nas condições de sinterização indicadas. Esse valor é condicional, não uma regra universal para fornos. A exposição ao excesso de oxigênio pode produzir oxidação, formação de carepa e descarburização, conforme descrito nas orientações da Cambridge sobre controle de atmosfera para metais.

Correlação entre dureza, microestrutura e concentração de carbono

A interpretação mais sólida resulta da concordância entre observações independentes. Uma região superficial que apresente redução do carbono, aumento da ferrita ou redução da fração de carbonetos e menor dureza fornece um diagnóstico coerente de descarburização. Se apenas a dureza se alterar, o achado será sugestivo. Se apenas o resultado de carbono se alterar, o analista ainda deverá considerar o espalhamento causado pela amostragem, a média do volume amostrado e a preparação da superfície. Se a microestrutura se alterar sem um gradiente de carbono, o histórico de transformação ou a segregação dos elementos de liga podem ser responsáveis.

A correlação exige a correspondência entre os locais. O perfil de dureza, a seção metalográfica e as amostras químicas devem ser obtidos de seções adjacentes ou seriadas, com uma referência comum da superfície. Uma amostra de carbono que faça a média dos primeiros 0,5 mm não pode ser comparada diretamente com uma alteração de dureza confinada aos primeiros 0,1 mm. Da mesma forma, uma micrografia obtida de um canto pode não representar uma superfície plana ampla, porque a geometria da borda altera a transferência de calor e o acesso do gás.

A interpretação baseada em normas se beneficia dessa combinação de métodos quando uma especificação, uma investigação de falha ou uma disputa exige evidências mais robustas. A ASTM E1077-14(2021) designa a análise quantitativa rigorosa ou linear como abordagem de arbitragem em disputas. Essa disposição é importante porque uma triagem rápida de dureza pode identificar material suspeito, enquanto um exame quantitativo mais controlado pode estabelecer a profundidade relatada. A ISO 3887:2023 e a SAE J419_201801 fornecem a estrutura para selecionar e aplicar as abordagens de medição relevantes; ainda assim, o relatório do laboratório deve declarar o critério utilizado, o local de amostragem, o procedimento de preparação, o espaçamento entre as indentações e a incerteza ou repetibilidade, quando disponíveis.

Uma conclusão prática se impõe: a dureza costuma ser eficiente para localizar uma transição, a análise química é valiosa para confirmar a composição e a microscopia explica quais fases se alteraram. Nenhuma delas deve ser tratada como substituta universal das outras. A profundidade de descarburização relatada só é significativa quando o método de ensaio, o volume de amostragem, o critério de aceitação e o histórico térmico do aço são identificados juntamente com o valor numérico.

Controle da Descarbonetação no Tratamento Térmico e na Sinterização

O controle da descarbonetação começa pelo potencial de carbono, e não por uma receita nominal de gás de forno. Uma mistura rotulada como “endotérmica”, “nitrogênio–metanol” ou “N₂/H₂” pode produzir condições diferentes de transferência de carbono quando a temperatura, a umidade, os vazamentos, o fluxo de gás ou o equilíbrio da combustão se alteram. O aço responde à atividade do carbono em sua superfície e às velocidades das reações superficiais que consomem ou fornecem carbono. O carbono então se difunde através da austenita em direção à superfície. Portanto, o controle do forno deve medir as variáveis da atmosfera que governam a atividade do carbono, em vez de presumir que uma composição fixa de gás produzirá um resultado fixo.

O potencial de carbono necessário deve ser estabelecido para a composição do aço, o tamanho da seção, o ciclo de aquecimento e manutenção da temperatura, e qualquer operação subsequente de cementação, têmpera neutra ou recozimento brilhante. Uma atmosfera neutra para um aço-carbono comum não é automaticamente neutra para um aço de alta liga, nem o mesmo ponto de ajuste é adequado em todas as temperaturas. O objetivo é manter a atividade do carbono na superfície suficientemente próxima da condição de equilíbrio exigida pelo aço, de modo a evitar a perda de carbono sem causar cementação indesejada.

Configuração e manutenção do potencial de carbono do forno

O potencial de carbono é a atividade efetiva do carbono que a atmosfera do forno pode impor ao aço em uma temperatura especificada. Se a atmosfera tiver um potencial de carbono inferior ao da superfície do aço, o carbono deixa o aço. Se tiver um potencial maior, o carbono entra no aço. Uma breve excursão pode ser relevante quando a carga é fina, a área superficial é grande ou o material permanece por muito tempo na temperatura de processo.

A publicação Furnace Atmosphere Controls in Heat Treating, da ASM, identifica a concentração de vapor de água, a concentração de dióxido de carbono e a pressão parcial de oxigênio como variáveis do forno utilizadas para controlar o potencial de carbono e evitar a descarbonetação. Essas variáveis estão interligadas por meio das reações entre monóxido de carbono, dióxido de carbono, hidrogênio, vapor de água e carbono na superfície do aço. Portanto, um pequeno aumento de H₂O ou CO₂ pode alterar a atmosfera efetiva, mesmo quando as vazões indicadas de nitrogênio, hidrogênio ou gás enriquecedor permanecem inalteradas.

Os pontos de ajuste devem ser estabelecidos com base na especificação do aço, na qualificação do processo e no trabalho de calibração do forno. Eles não devem ser copiados de uma tabela de vazão de gases sem verificar a temperatura e a resposta do analisador. Em um ciclo de têmpera, o potencial selecionado pode estar próximo da neutralidade ou ser levemente cementante na temperatura de austenitização; em um ciclo de sinterização, os níveis permitidos de oxigênio e umidade podem ser especificados de maneira mais direta, pois as peças de metalurgia do pó podem ter grande área superficial e porosidade interconectada.

A temperatura deve ser controlada com o mesmo rigor que a atmosfera. A atividade do carbono, as velocidades das reações e a difusão do carbono aumentam ou se alteram com a temperatura, mas a profundidade da descarbonetação não necessariamente aumenta de forma linear simples. Um estudo de 2021 sobre aço-mola Fe-0.6C-1.8Si-0.8Mn, ensaiado entre 700 e 1000 °C, constatou que a espessura da ferrita descarbonetada aumentou até aproximadamente 800–825 °C e depois diminuiu. Esse resultado reflete efeitos concorrentes de difusão, oxidação, transformação de fase e reações superficiais. Uma temperatura mais alta do forno, por si só, não comprova uma descarbonetação medida maior.

O controle da atmosfera também exige um plano de alarme e resposta. Uma sonda com falha, o aumento do ponto de orvalho, a queda do potencial de carbono, a perda de gás enriquecedor ou uma alteração inexplicada de CO devem acionar uma retenção, uma correção controlada ou a quarentena da carga, de acordo com o risco do processo. Um controlador que simplesmente move uma válvula em direção ao ponto de ajuste enquanto o dispositivo de medição está contaminado pode manter um número indicado e ainda assim produzir aço descarbonetado.

Sensores, ponto de orvalho, sondas de oxigênio, temperatura e monóxido de carbono

O suplemento 2704CP Handbook, da Eurotherm, descreve duas abordagens comuns para estimar o potencial de carbono do forno. Uma combina a medição de oxigênio por uma sonda de zircônia com a temperatura do forno e o teor de monóxido de carbono. A outra utiliza a medição do ponto de orvalho. Essas abordagens estão relacionadas, mas não são leituras intercambiáveis provenientes de um único sensor físico.

Uma sonda de oxigênio de zircônia mede o potencial de oxigênio por meio da tensão gerada através de um eletrólito de zircônia na temperatura do forno. Com um teor de CO conhecido ou controlado, o sinal da sonda e a temperatura podem ser convertidos em um potencial de carbono estimado. A compensação de temperatura é essencial: a mesma tensão da sonda não representa o mesmo potencial de oxigênio ou de carbono em temperaturas diferentes. O teor de CO também é essencial para o cálculo. Se o controlador assumir um valor constante de CO enquanto a composição real do gás se altera, o potencial de carbono indicado poderá estar incorreto, mesmo que a célula de zircônia esteja funcionando.

A localização da sonda é importante. A medição deve representar a atmosfera ao redor da carga, e não um canto estagnado, um tubo de amostragem frio ou uma região próxima a um vazamento de ar. Fuligem, carepa, condensado, envelhecimento da sonda, ruído elétrico e problemas no ar de referência podem distorcer as leituras. Os operadores devem verificar a resposta da sonda em relação a uma condição de calibração conhecida, inspecionar a sonda e os componentes de proteção e comparar o sinal com dados independentes da atmosfera após a manutenção ou quando houver deriva inexplicada. A calibração não pode corrigir uma sonda instalada em um local onde a atmosfera do forno não seja representativa.

A medição do ponto de orvalho oferece uma abordagem de monitoramento separada, medindo o teor de umidade do gás, normalmente após amostragem e resfriamento controlados. A umidade é uma variável de alerta direta, pois o vapor de água pode oxidar o carbono na superfície do aço. A ASM inclui a concentração de vapor de água entre as variáveis utilizadas para controlar o potencial de carbono, enquanto a orientação da Linde para sinterização, de 2023, afirma que o vapor de água em atmosferas de N₂/H₂ causa descarbonetação. A Linde também apresenta uma diretriz experimental segundo a qual menos de 5% de hidrogênio limita as velocidades de cementação e descarbonetação nas condições de sinterização citadas. Esse valor é específico do processo e não constitui um limite universal para todos os fornos, ligas, temperaturas ou pontos de orvalho.

O ponto de orvalho pode revelar a entrada de água por meio de refratários úmidos, secagem inadequada do gás, vazamentos, limpeza do forno ou purga incompleta. Por si só, ele não pode descrever todas as reações que afetam o potencial de carbono. Um ponto de orvalho baixo não comprova que a carga esteja segura se houver entrada de ar por uma vedação da porta ou se as condições de CO₂, CO, temperatura e fluxo forem anormais. Por esse motivo, um sistema de ponto de orvalho deve ser interpretado em conjunto com medições de temperatura, fluxo, pressão e, quando aplicável, oxigênio e CO.

Prática de carregamento, vedação, distribuição de gás e verificação do processo

Uma atmosfera bem controlada não pode compensar uma prática de carregamento inadequada. As peças devem ser dispostas de modo que o gás alcance todas as superfícies expostas e que as regiões densamente compactadas não formem zonas estagnadas que retenham umidade. Cestos, dispositivos de fixação, bandejas e revestimentos protetores não devem bloquear o fluxo ao redor das superfícies críticas. Cargas pesadas podem consumir gás enriquecedor ou retardar a substituição da atmosfera, enquanto cargas frias ou úmidas podem liberar umidade durante a parte mais sensível do ciclo de aquecimento.

As vedações do forno merecem a mesma atenção que os analisadores. Frestas nas portas, trincas no mufla, controles dos queimadores, vedações dos eixos dos ventiladores, linhas de amostragem e aberturas de transferência mal fechadas podem aspirar ar para um forno que opera em baixa pressão. A entrada de ar fornece oxigênio e pode criar oxidação e descarbonetação locais, mesmo quando o analisador da atmosfera geral indica um valor aceitável. A pressão positiva, quando apropriada ao projeto do forno, reduz a infiltração, mas a pressão excessiva pode empurrar o gás de processo através das vedações e criar outros riscos. Verificações de vazamento devem ser realizadas após a manutenção e sempre que as tendências de oxigênio, ponto de orvalho ou CO se alterarem sem uma explicação plausível relacionada ao processo.

A distribuição de gás deve ser verificada, e não inferida a partir do fluxo total. Verifique a operação da entrada e da exaustão, o desempenho do ventilador de circulação, o tempo de purga, o funcionamento dos medidores de fluxo e a estabilidade da pressão. Na sinterização contínua, inspecione as zonas separadamente: a atmosfera nas seções de pré-aquecimento, alta temperatura e resfriamento pode diferir substancialmente. O vapor de água liberado em uma zona pode condensar ou reagir a jusante, e um único analisador pode não detectar uma condição local na superfície de trabalho.

A verificação do processo termina no aço. As amostras representativas devem incluir os locais mais expostos à atmosfera do forno e as áreas com maior probabilidade de serem protegidas pelo contato ou pelo empacotamento. A ISO 3887:2023, Steels — Determination of the depth of decarburization, especifica três métodos para medir a profundidade da descarbonetação em produtos de aço. A ASTM E1077-14(2021), Standard Test Methods for Estimating the Depth of Decarburization of Steel Specimens, abrange procedimentos de triagem, análise microscópica, microdureza por indentação e análise química. Em caso de divergência, a ASTM designa a análise quantitativa rigorosa ou a análise linear como abordagem de arbitragem. A SAE J419_201801, Methods of Measuring Decarburization, apresenta práticas recomendadas de análise microscópica, dureza e análise química para materiais ferrosos.

O método de ensaio pode alterar a profundidade relatada. Um levantamento de dureza pode identificar uma zona funcionalmente amolecida, enquanto a metalografia pode separar a descarbonetação da ferrita da descarbonetação parcial ou distinguir danos por oxidação. Portanto, os resultados devem ser comparados utilizando a mesma norma, orientação da seção, método de preparação, aumento e critério de aceitação. Se o registro do forno parecer satisfatório, mas o aço representativo for reprovado, investigue o atraso do sensor, a localização da amostra, a proteção da carga, a umidade, a entrada de ar e a validade do cálculo do potencial de carbono antes de simplesmente elevar o ponto de ajuste. Essa resposta pode trocar a descarbonetação por cementação sem corrigir a falha subjacente.

Consequências da Correção, Remoção, Aceitação e Falha

A descarburização não constitui automaticamente uma condição de rejeição, mas também não é um defeito que a usinagem sempre corrige. A decisão depende de qual quantidade de carbono foi perdida, de até onde se estende a zona afetada, de quais superfícies suportam carga e de se a geometria especificada deixa material suficiente para remoção. Uma camada ferrítica fina em um sobremetal de usinagem pode ser removida sem comprometer o desempenho. A mesma profundidade medida em uma mola acabada, em um dente de engrenagem, em uma pista de rolamento ou em um eixo crítico quanto à fadiga pode representar uma perda significativa de capacidade.[5][5] Standard Test Methods for Estimating the Depth of Decarburization of Steel Specimens. ASTM International. ASTM standard, 2021.

A primeira decisão deve basear-se em uma medição verificada, e não na cor da carepa ou em uma única impressão de dureza. A ISO 3887:2023, Steels — Determination of the depth of decarburization, especifica três métodos para determinar a profundidade de descarburização em produtos de aço. A ASTM E1077-14(2021), Standard Test Methods for Estimating the Depth of Decarburization of Steel Specimens, abrange procedimentos de triagem, exame microscópico, dureza por microindentação e análise química. Quando há contestação dos resultados, a ASTM E1077-14(2021) designa a análise quantitativa rigorosa ou a análise linear como abordagem de arbitragem. A SAE J419_201801 também estabelece práticas recomendadas de análise microscópica, de dureza e química para materiais ferrosos.

Esses métodos não necessariamente indicam o mesmo limite. Um método metalográfico pode identificar uma zona na qual a perlita ou a martensita se transformou em ferrita, enquanto um perfil de dureza pode mostrar uma transição mais gradual e definir a profundidade afetada com base em um critério de dureza selecionado. A análise química pode medir diretamente a concentração de carbono, mas pode calcular a média do resultado em um volume de amostragem. Consequentemente, “remover a descarburização” é uma instrução incompleta, a menos que sejam especificadas a profundidade de remoção necessária e o método utilizado para verificá-la.

Quando o material descarburizado pode ser removido por usinagem ou retificação

A remoção geralmente é tecnicamente viável quando a camada afetada está inteiramente dentro de um sobremetal aprovado para usinagem ou retificação. Torneamento, fresamento, retificação cilíndrica, retificação plana e remoção controlada de material podem expor um material com o teor de carbono e o perfil de dureza necessários. A seção remanescente ainda deve atender ao desenho, à tolerância dimensional, ao requisito de acabamento superficial e a qualquer requisito de profundidade de camada ou de tratamento térmico. Uma peça não pode ser declarada corrigida simplesmente porque uma superfície clara ou macia desapareceu.

O cálculo de remoção deve considerar a geometria da superfície afetada. Se um eixo cilíndrico perde 0,20 mm de raio durante a retificação, seu diâmetro diminui 0,40 mm. Em uma face plana, a remoção de 0,20 mm altera a espessura em 0,20 mm. Um raio de concordância, flanco de dente, raiz de rosca ou rasgo de chaveta descarburizado pode ser difícil de remover uniformemente; a retificação local pode criar rebaixamentos, transições abruptas ou tensão residual de tração. Esses efeitos podem ser mais prejudiciais que a perda de carbono original.

O sobremetal necessário também é determinado pelo perfil real de carbono, e não apenas pela profundidade visível da ferrita. Uma zona parcialmente descarburizada pode conter um gradiente de carbono que se estende abaixo de uma camada totalmente ferrítica. Se a propriedade especificada depender de uma dureza ou concentração mínima de carbono, a profundidade de remoção deverá atingir esse critério em toda a superfície relevante. Normalmente, a verificação deve utilizar uma seção transversal representativa da região corrigida, com o método e o local acordados antes da decisão de disposição.

A usinagem é mais defensável em um componente forjado ou laminado em bruto do que em um componente acabado com pouco sobremetal remanescente. Ela também pode ser apropriada quando a superfície afetada não é funcional e o desenho permite a remoção de material. Não constitui uma solução geral para um componente cuja superfície crítica já tenha atingido a dimensão final. A retificação não pode repor o sobremetal que o projeto já consumiu.

A causa deve ser tratada simultaneamente. A obra da ASM, Furnace Atmosphere Controls in Heat Treating, identifica a concentração de vapor d’água, a concentração de dióxido de carbono e a pressão parcial de oxigênio como variáveis do forno utilizadas para controlar o potencial de carbono e limitar a descarburização. O suplemento 2704CP Handbook da Eurotherm descreve a estimativa comum do potencial de carbono a partir de medições de oxigênio por sonda de zircônia combinadas com a temperatura do forno e o teor de monóxido de carbono, ou a partir da medição do ponto de orvalho. Uma peça corrigida proveniente de um forno que continua produzindo baixo potencial de carbono não representa uma correção do processo; é apenas uma ação temporária de segregação.

Quando a correção não equivale à restauração

A remoção de uma superfície macia não restaura o material perdido, a geometria alterada ou o histórico original de tratamento térmico. Essa distinção é central no capítulo da ASM Steel Decarburization—Mechanisms, Models, Prevention, Correction, and Effects on Component Life. A descarburização resulta do deslocamento do carbono através do ferro austenítico em direção a uma superfície cuja atividade de carbono é menor que a do aço, enquanto as reações superficiais com a atmosfera do forno consomem carbono. A zona final depende da difusão, da temperatura, do tempo de exposição, da atividade do carbono e da cinética das reações superficiais.

Um reaquecimento pode repor carbono somente sob condições controladas de cementação, e pode introduzir novos problemas: crescimento de grão, distorção, oxidação, austenita retida, excesso de carbono na camada ou um perfil de dureza diferente do especificado originalmente. O reaquecimento de um componente temperado e revenido não equivale à repetição do tratamento original, a menos que o ciclo térmico completo, a atmosfera, a taxa de resfriamento e a resposta ao revenimento sejam qualificados. Para um aço de endurecimento por precipitação, aço-ferramenta, aço para molas ou aço para rolamentos, a correção necessária pode envolver uma requalificação completa, e não um tratamento superficial local.

A perda de carbono também altera a microestrutura antes da remoção do material. Uma região descarburizada pode conter ferrita onde o tratamento pretendido produziria perlita, bainita ou martensita. A remoção dessa região por retificação não reverte alterações dimensionais, a descarburização sob uma característica inacessível ou uma condição de tratamento térmico que tenha sido excedida durante o processamento. Tampouco comprova que o aço remanescente possui a dureza do núcleo, a profundidade de camada, a tenacidade ou o estado de tensão residual especificados.

A temperatura, por si só, não pode prever o resultado. Um estudo de 2021 publicado no Journal of Materials Research and Technology sobre aço para molas Fe-0.6C-1.8Si-0.8Mn, ensaiado de 700 a 1000 °C, constatou que a espessura da ferrita descarburizada aumentou até aproximadamente 800–825 °C e depois diminuiu. Esse comportamento não monotônico reflete efeitos concorrentes de difusão e oxidação. Portanto, os registros da atmosfera são importantes. A Linde informa que o vapor d’água em atmosferas de N2/H2 provoca descarburização e cita menos de 5% de hidrogênio como diretriz experimental para limitar as taxas de cementação e descarburização sob condições especificadas de sinterização; esse valor não constitui uma regra universal para fornos.

A aceitação deve decorrer da especificação aplicável do produto, do desenho, da norma de tratamento térmico ou do requisito contratual. Nenhuma profundidade única de descarburização é válida para todos os graus de aço ou componentes. O documento de controle pode especificar descarburização total, parcial ou ferrítica, um perfil de dureza, um limite de carbono, um requisito específico para determinado local ou nenhum limite, porque a usinagem subsequente remove a zona. Se o requisito for omisso, a decisão de engenharia deve basear-se em evidências medidas e em uma análise do serviço, e não em uma tolerância presumida para todo o setor.

Efeitos sobre fadiga, desgaste, resistência e vida útil do componente

A fadiga costuma ser o modo de falha mais sensível, porque as trincas se iniciam nas superfícies ou próximas delas, onde tensão cíclica de tração, rugosidade, inclusões, entalhes e tensão residual interagem. Uma camada descarburizada pode reduzir a dureza superficial e o limite de escoamento, aumentar a deformação plástica local e alterar o gradiente de dureza abaixo da superfície. Sob flexão ou torção, essa camada pode estar exatamente onde a tensão alternada é mais elevada. Sua remoção pode restaurar o desempenho em fadiga somente se a geometria final, o acabamento superficial, a tensão residual e a microestrutura subsuperficial continuarem aceitáveis.

O comportamento quanto ao desgaste depende da pressão de contato, das condições de deslizamento ou rolamento, da lubrificação e do perfil de dureza. Uma camada ferrítica macia no flanco de uma engrenagem, em um came, em um trilho, no colo de um eixo ou em uma pista de rolamento pode deformar-se, aderir, sofrer escoriação ou desgastar-se rapidamente. Em contato de rolamento, a transição entre uma zona superficial macia e um material mais duro pode concentrar deformação e promover pitting ou lascamento. Um componente pode ser aprovado em um ensaio de tração e ainda assim falhar prematuramente em serviço porque sua superfície de contato não possui a camada endurecida especificada.

As consequências para a resistência estática dependem da redução da seção e da localização do defeito. Em uma seção grande submetida a baixa tensão, uma zona superficial rasa pode ter pouco efeito sobre a resistência à tração máxima. Em um fio de mola fino, uma peça de parede delgada, um raio de concordância acentuado ou a raiz de um dente altamente carregada, a mesma profundidade pode consumir uma fração significativa da seção resistente. A redução do carbono pode diminuir localmente a dureza e a resistência, enquanto a retificação pode reduzir ainda mais a seção efetiva. Uma alteração geométrica que pareça pequena dimensionalmente pode aumentar de modo significativo a concentração de tensão.

Portanto, a vida útil do componente não pode ser inferida apenas a partir da profundidade de descarburização. O grau do aço, o teor de carbono, a temperabilidade da liga, a profundidade afetada, o gradiente de dureza, a tensão superficial, o modo de carregamento, a razão de tensões, a severidade do entalhe, a tensão residual, o ambiente e a sensibilidade da inspeção são fatores relevantes. A decisão correta pode ser aceitar, remover e reinspecionar, reprocessar por meio de um tratamento térmico qualificado, rebaixar a classificação ou rejeitar. A decisão deve indicar qual condição foi medida, qual requisito é aplicável, quanto material foi removido e quais evidências demonstram que o componente remanescente — e não apenas sua aparência — poderá operar durante a vida útil pretendida.

Um fluxo de investigação e elaboração de relatórios baseado em normas

A descarbonetação deve ser investigada como uma questão de conformidade, e não como uma impressão visual. Uma camada escura de carepa, uma faixa ferrítica, uma queda de dureza e um gradiente de carbono medido são observações relacionadas, mas não são resultados intercambiáveis. A investigação deve relacionar o requisito do produto, a superfície original, o método de exame, a exposição térmica e a atmosfera do forno.

A ISO 3887:2023, Aços — Determinação da profundidade de descarbonetação, especifica três métodos para medir a profundidade de descarbonetação em produtos de aço. A ASTM E1077-14(2021), Métodos de ensaio padrão para estimar a profundidade de descarbonetação de corpos de prova de aço, abrange procedimentos de triagem, análise microscópica, dureza por microindentação e análise química. A SAE J419_201801, Métodos de medição da descarbonetação, apresenta práticas recomendadas de análise microscópica, dureza e análise química para materiais ferrosos. Esses documentos fornecem métodos; por si só, não determinam se uma determinada corrida, barra, peça forjada, chapa ou componente acabado é aceitável.

Definir a questão e o requisito de aceitação aplicável

Comece declarando o que deve ser decidido. As possíveis questões incluem:

• O material está totalmente descarbonetado, parcialmente descarbonetado ou livre de descarbonetação mensurável?
• Qual é a profundidade máxima permitida a partir da superfície original?
• O requisito se aplica a uma superfície, a todas as superfícies, a um comprimento de amostragem especificado ou a todo o lote?
• O limite é expresso como distância, concentração de carbono, alteração de dureza, limite metalográfico ou sobremetal de usinagem permitido?
• O requisito diz respeito ao produto fornecido ou ao componente acabado após retificação, torneamento, jateamento ou outra remoção superficial?

A resposta deve vir da especificação de compra aplicável, da norma do produto, do desenho, da especificação de tratamento térmico ou do documento de aceitação do cliente. Registre a designação e a revisão exatas. Por exemplo, identifique um material como AISI/SAE 1045 somente quando essa designação for respaldada pelos registros do material e identifique separadamente a norma do produto, como ASTM A29/A29M, quando essa norma reger a barra. Não substitua um grau especificado por outro grau nominal de carbono semelhante. SAE J403 Grade 1045, uma especificação de produto ASTM e uma designação interna de grau podem ter composição química relacionada, mas disposições diferentes quanto à amostragem, ao processamento ou à aceitação.

A investigação também precisa de uma definição de “profundidade”. A profundidade de descarbonetação total pode terminar onde as fases ricas em carbono desapareceram; a profundidade de descarbonetação parcial pode se estender até o ponto em que o nível de carbono ou a microestrutura retornem ao núcleo não afetado. Um perfil de dureza pode mostrar uma transição sem comprovar o perfil exato de carbono. Por outro lado, um perfil químico pode identificar perda de carbono, enquanto uma superfície transformada ou revenida torna o limite microestrutural menos evidente.

Redija a regra de aceitação antes de examinar o corpo de prova. Se o requisito disser “máximo de 0,25 mm de descarbonetação parcial”, o relatório não deve substituir esse valor por uma média, uma estimativa visual ou o ponto mais profundo encontrado em uma seção com orientação diferente. Se não existir um critério de aceitação, informe a condição medida e identifique a regra de decisão ausente, em vez de declarar o material aceitável.

Selecionar e documentar o método de exame

Preserve a superfície original durante a amostragem. Marque a superfície antes do corte, evite a retificação ou o contato com abrasivos que possam remover a camada afetada e registre se havia carepa, oxidação, revestimento metálico, camada de proteção, resíduos de granalha ou danos de usinagem. Um corpo de prova retirado após o desbaste superficial não pode estabelecer a profundidade original de descarbonetação, a menos que o sobremetal removido seja conhecido e documentado.

A localização e a orientação da amostragem são importantes. Para barras, fios, tubos, chapas e peças forjadas, identifique o eixo do produto, a seção transversal ou longitudinal, a superfície externa ou interna, o canto, a aresta e a distância da extremidade. Inclua locais provavelmente submetidos a diferentes exposições no forno, como faces superior e inferior, cantos com raio, extremidades ou áreas protegidas por dispositivos de fixação. Quando a reclamação envolver um defeito localizado, faça a amostragem passando pelo local informado e, se possível, mantenha um local de comparação não afetado nas proximidades. Registre o número de corpos de prova e o motivo pelo qual cada local foi selecionado.

Escolha o método de acordo com a questão e com o nível de robustez exigido para a decisão. A ISO 3887:2023 fornece três abordagens de medição; a abordagem selecionada, a edição e a cláusula aplicável devem constar do relatório. A ASTM E1077-14(2021) permite triagem, exame microscópico, exame de dureza por microindentação e análise química. A triagem é útil para localizar regiões suspeitas, mas não deve ser apresentada como resultado de arbitragem quando o limite de aceitação estiver próximo do valor medido. A ASTM E1077-14(2021) designa a análise quantitativa rigorosa ou linear como abordagem de arbitragem em disputas.

A microscopia costuma ser o primeiro método quantitativo mais prático. Prepare uma seção normal à superfície, preserve a borda e informe a sequência de corte, embutimento, lixamento, polimento e ataque metalográfico. Identifique o reagente de ataque e a ampliação utilizada no exame. O operador deve definir o critério de limite antes da medição: desaparecimento da perlita ou de outros constituintes ricos em carbono, alteração na morfologia da ferrita, um limiar de imagem especificado ou outro critério exigido pela norma selecionada. Informe se o resultado representa descarbonetação total, descarbonetação parcial ou ambas.

A dureza por microindentação fornece um perfil, e não uma análise direta de carbono. Informe o tipo de penetrador, a força de ensaio, o espaçamento, a distância da superfície, a orientação do perfil e a situação da calibração, bem como a regra utilizada para identificar a transição. Indentações posicionadas muito próximas da borda, muito próximas umas das outras ou atravessando um limite microestrutural acentuado podem distorcer o resultado. A dureza também é afetada pelo tamanho de grão, pela transformação de fases, pelo revenimento, pelas tensões residuais e pela austenita retida; portanto, uma redução de dureza deve ser correlacionada com a microscopia.

A análise química pode ser necessária quando a disputa diz respeito à concentração de carbono, e não a um limite visível. Informe a técnica, o incremento de amostragem, a área ou massa analisada, a resolução em profundidade, o material de calibração, o limite de detecção e se o resultado é pontual, uma média da camada ou um perfil reconstruído. Um gradiente de carbono medido com camadas espessas não pode fundamentar uma declaração de profundidade fina.

Os registros de calibração e preparação fazem parte do resultado. Registre a identificação do instrumento, a data de calibração, os padrões de referência, a verificação da ampliação, a verificação de dureza, o analista e a incerteza de medição ou a repetibilidade. Meça vários campos ou perfis quando a norma e o plano de aceitação permitirem e informe os valores individuais, a média, a faixa e o máximo quando cada um tiver uma importância diferente para a decisão.

Relacionar os registros do forno às evidências metalúrgicas

Uma zona superficial medida é uma evidência da condição final do material, não uma explicação completa de sua origem. Analise todo o histórico térmico: identificação do forno, número da corrida, padrão de carregamento, taxa de aquecimento, temperatura de austenitização ou sinterização, tempo de encharque, tempo de transferência, condições de resfriamento e qualquer operação de reaquecimento ou normalização. Relacione a identidade do corpo de prova ao registro do forno e ao registro de rastreabilidade do produto. Um registro do forno referente à data correta, mas à corrida errada, não constitui evidência de suporte.

Os dados da atmosfera devem ser interpretados em conjunto com a temperatura e o tempo. A publicação da ASM Furnace Atmosphere Controls in Heat Treating identifica a concentração de vapor de água, a concentração de dióxido de carbono e a pressão parcial de oxigênio como variáveis utilizadas para controlar o potencial de carbono do forno e evitar a descarbonetação. O 2704CP Handbook supplement, da Eurotherm, descreve a inferência comum do potencial de carbono a partir das medições de oxigênio de uma sonda de zircônia combinadas com a temperatura do forno e o teor de monóxido de carbono, ou a partir da medição do ponto de orvalho. Registre os valores reais dos sensores, os eventos de alarme, as verificações de calibração, a recuperação da sonda, o fluxo de gás e as interrupções conhecidas do sensor; não trate o valor de ajuste do controlador como prova da atmosfera junto à carga.

O mecanismo é acoplado. O carbono se difunde através do ferro austenítico em direção a uma superfície onde a atividade do carbono é reduzida por reações envolvendo gases do forno que contêm oxigênio. A cinética das reações superficiais, a distância de difusão, a temperatura, o tempo de exposição e o potencial de carbono contribuem para o fenômeno. O NIST descreve a zona de descarbonetação como uma perda próxima à superfície de carbono e de fases ricas em carbono, quando o carbono superficial reage com o oxigênio para formar monóxido de carbono ou dióxido de carbono gasosos. O vapor de água em atmosferas de N2/H2 também pode causar descarbonetação; as orientações de sinterização da Linde de 2023 relatam uma diretriz experimental segundo a qual menos de 5% de hidrogênio limitou as taxas de cementação e descarbonetação nas condições declaradas, e não uma regra universal para fornos.

A temperatura, por si só, não pode explicar todos os resultados. Um estudo de 2021 publicado no Journal of Materials Research and Technology sobre aço-mola Fe-0.6C-1.8Si-0.8Mn, ensaiado entre 700 e 1000 °C, constatou que a espessura da ferrita descarbonetada aumentou até aproximadamente 800–825 °C e depois diminuiu. Portanto, a difusão e a oxidação devem ser consideradas em conjunto.

Um relatório deve conter a identidade do corpo de prova e da corrida ou lote; o grau e a especificação aplicável; a condição da superfície original; o local e a orientação da amostragem; o forno e o histórico térmico; os registros da atmosfera; a norma de exame e a cláusula aplicável; os detalhes da preparação; a calibração do instrumento; o perfil de medição ou o perfil químico; as profundidades total e parcial; a incerteza, a repetibilidade e as limitações; fotografias ou mapas; a comparação com o requisito de aceitação; e a justificativa da disposição.

O fluxo de trabalho reprodutível é direto: identificar a classe e o histórico térmico, preservar a superfície original, selecionar e documentar os locais e a orientação, escolher um método ISO, ASTM ou SAE, definir os critérios de preparação e medição, comparar o perfil medido com o requisito aplicável e correlacionar o resultado com os registros de atmosfera, temperatura, tempo e sensores. Somente então o material deve ser aceito, retrabalhado, submetido a exames adicionais ou rejeitado.

Referências

1. [1]International Organization for Standardization. Steels — Determination of the depth of decarburization. ISO standard, 2023. https://www.iso.org/standard/86689.html
2. [2]ASM International. Furnace Atmosphere Controls in Heat Treating. ASM Handbook, 2013. https://dl.asminternational.org/handbooks/edited-volume/8/chapter-abstract/106617/Furnace-Atmosphere-Controls-in-Heat-Treating
3. [3]Linde. Sintering of steels. Linde technical guidance, 2023. https://static.prd.echannel.linde.com/wcsstore/EE_REN_Industrial_Gas_Store/pdf/Sintering-of-steels-brochure-EN.pdf
4. [4]ASTM International. Standard Test Methods for Estimating the Depth of Decarburization of Steel Specimens. ASTM standard, 2021. https://store.astm.org/e1077-14r21.html
5. [5]ASTM International. Standard Test Methods for Estimating the Depth of Decarburization of Steel Specimens. ASTM standard, 2021. https://store.astm.org/e1077-14r21.html