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![Atmosferas de Tratamento Térmico do Aço e Proteção da Superfície](/images/uploads/405f246a-bda5-4aba-968d-bde00110e220/wiki-hero-a-controlled-atmosphere-heat-treatment-furnace-opening-with-a-steel-load-inside-1920x823.jpg)

Tratamento térmico

# Atmosferas de Tratamento Térmico do Aço e Proteção da Superfície

Aprenda a adequar as atmosferas de tratamento térmico aos tipos de aço e a controlar a oxidação, a carepa, a descarbonetação e o potencial de carbono.

![Retrato de Anders Bergström, repórter da indústria do aço](/images/uploads/a7d8e5bc-7cdf-409b-913b-211e63e8c441/anders-bergstr-m-1920x1920.jpg)

 **[Anders Bergström](/pt/noticias/autor/anders-bergstrom "Anders Bergström")** Tratamento térmico 60+ min de leitura Atualizado 14 de ago. de 2026 Revisto com evidência

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- [Oxidação, Carepa e a Superfície do Aço](/pt/wiki/tratamento-t%C3%A9rmico/atmosferas-de-tratamento-t%C3%A9rmico-do-a%C3%A7o-e-prote%C3%A7%C3%A3o-da-superf%C3%ADcie#oxidação-carepa-e-a-superfície-do-aço "Oxidação, Carepa e a Superfície do Aço")
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## O que uma Atmosfera de Tratamento Térmico Controla Efetivamente

![Esquema das espécies gasosas que trocam oxigénio e carbono com a superfície do aço.](/images/uploads/0aca0db9-f427-4385-95e8-281e5aafcfa2/wiki-inline-a-steel-surface-beneath-a-furnace-atmosphere-showing-oxygen-bearing-species-wate-1920x1094.jpg)[](/images/uploads/0aca0db9-f427-4385-95e8-281e5aafcfa2/wiki-inline-a-steel-surface-beneath-a-furnace-atmosphere-showing-oxygen-bearing-species-wate-1920x1094.avif "Ampliar imagem — Esquema das espécies gasosas que trocam oxigénio e carbono com a superfície do aço.")The atmosphere sets the chemical boundary condition at the steel surface.

### A atmosfera como condição-limite química

Uma atmosfera de tratamento térmico não é simplesmente o gás que ocupa o forno. É o ambiente reativo existente à superfície do aço enquanto a carga é aquecida, mantida à temperatura e arrefecida. A sua composição estabelece a condição-limite química face à qual se processam a oxidação, a redução, a cementação, a descarburação e outras reações superficiais. O aço responde a esse ambiente local, e não apenas à leitura da temperatura apresentada pelo controlador do forno.

#### Constituintes reativos da atmosfera

Espécies portadoras de oxigénio

Podem formar óxidos de ferro e produzir carepa.

Vapor de água

Pode acelerar a oxidação e contribuir para a perda de carbono.

Monóxido de carbono

Participa nos equilíbrios de transferência de carbono.

Dióxido de carbono

Pode alterar o potencial de carbono e promover a descarbonetação em condições adequadas.

Hidrogénio

Influencia o comportamento de redução e o potencial de oxigénio.

Metano

Pode contribuir com carbono em condições de cementação.

A temperaturas elevadas, os gases trocam átomos com a superfície. As espécies que contêm oxigénio podem formar óxidos de ferro e produzir carepa. O vapor de água pode acelerar a oxidação e contribuir para a perda de carbono. As espécies que contêm carbono podem repor carbono na superfície ou removê-lo, consoante o equilíbrio entre as reações gasosas e a atividade do carbono no aço. Deste modo, o dióxido de carbono, o monóxido de carbono, o hidrogénio, o metano, o oxigénio e o vapor de água são importantes enquanto espécies reativas, e não apenas como designações de um gás “protetor”.

A oxidação produz carepa, enquanto a perda de carbono das camadas superficiais produz descarbonetação. Strong evidence

O manual *Heat Treatment and Properties of Iron and Steel* (1966), do U.S. Department of Commerce, National Bureau of Standards, identifica diretamente os dois principais riscos superficiais: a oxidação produz carepa, enquanto a perda de carbono das camadas superficiais produz descarburação. O manual também descreve o vapor de água presente nos produtos de combustão como prejudicial. Estes efeitos estão relacionados, mas não são idênticos. Uma superfície pode apresentar pouca carepa visível e, ainda assim, ter um perfil de carbono alterado. Inversamente, uma peça pode conservar grande parte do seu carbono e, ao mesmo tempo, apresentar uma película de óxido que interfere no controlo dimensional, na inspeção, na soldadura ou no acabamento posterior.

Potencial de carbono **Potencial de carbono** A atividade do carbono imposta por uma atmosfera a uma temperatura especificada, indicando se o carbono tende a entrar na superfície do aço ou a abandoná-la.

O potencial de carbono é a expressão prática da tendência da atmosfera para adicionar ou remover carbono do aço austenítico a uma determinada temperatura. Se o gás tiver uma atividade efetiva de carbono inferior à da superfície do aço, o carbono difunde-se para o exterior e desenvolve-se descarburação. Se o gás tiver uma atividade efetiva de carbono superior, o carbono entra na superfície e pode ocorrer cementação. Quando as duas atividades estão equilibradas, a atmosfera é aproximadamente neutra relativamente à transferência de carbono, embora o resultado continue a depender do tempo, da temperatura, da composição da liga, do fluxo gasoso e do estado da superfície.

O material da ASM International, *Furnace Atmospheres for Heat Treating*, aborda as reações gasosas, os principais gases e vapores e a descarburação do aço relacionada com a atmosfera como temas centrais do tratamento térmico. O ASM Handbook Volume 4B também descreve o controlo do potencial de carbono através de medições ou relações que envolvem o vapor de água, o dióxido de carbono e a pressão parcial de oxigénio. É por isso que um valor de referência do potencial de carbono não substitui a medição da atmosfera. O estado químico relevante pode ser inferido a partir de várias variáveis monitorizadas, mas essas variáveis têm de descrever o gás que chega efetivamente à carga.

#### Limite do processo

O controlo da atmosfera aplica-se ao aquecimento, à manutenção à temperatura, à transferência, à têmpera e ao arrefecimento sempre que o aço permaneça suficientemente quente para que as reações de oxidação ou de transferência de carbono sejam relevantes.

A resposta da superfície pode continuar durante o arrefecimento. A austenitização numa atmosfera adequada não garante uma superfície limpa se a carga atravessar uma condição oxidante ou descarburante antes de atingir uma temperatura inferior àquela em que essas reações são relevantes. A têmpera também pode expor o aço quente a vapor de água, oxigénio ou gases mal controlados. Por conseguinte, o controlo da atmosfera diz respeito ao ciclo térmico completo, e não apenas ao segmento de manutenção à temperatura.

### Porque a temperatura global não é suficiente

A temperatura é apenas um dos vários fatores que governam a superfície do aço; os valores iguais indicam que o artigo identifica cada fator como necessário, e não que fornece uma medição hierarquizada.

A temperatura determina as velocidades de reação e as transformações de fase, mas não especifica a química da superfície. Duas cargas de forno podem indicar ambas 850 °C e sair do forno com resultados metalúrgicos diferentes se as suas condições gasosas forem distintas. Uma pode ter um potencial de carbono controlado e uma baixa tendência para oxidar; a outra pode conter espécies que transportam oxigénio ou humidade suficiente para criar carepa e remover carbono. A leitura do termopar não consegue distinguir esses resultados.

A distinção torna-se crítica quando o resultado exigido inclui um gradiente definido de carbono à superfície. Considere-se um aço ferrítico hipoeutectoide aquecido para têmpera. Uma camada superficial descarburada, ainda que pouco espessa, pode transformar-se de forma diferente do núcleo não afetado durante a têmpera, produzindo uma superfície mais macia, mesmo que o núcleo atinja a temperatura de austenitização pretendida. O componente pode ser aprovado numa inspeção visual porque a carepa é limitada e, ainda assim, falhar um perfil de dureza, um exame metalográfico ou um requisito de desgaste ou de fadiga. No caso de um aço destinado à cementação, uma transferência excessiva de carbono pode ser igualmente inaceitável: a camada cementada pode tornar-se mais profunda ou mais rica do que o permitido pela especificação do processo, com consequências para a austenite retida, a formação de carbonetos, a deformação e a estabilidade dimensional.

A uniformidade da temperatura cria outro falso sentido de segurança. Um forno pode apresentar uma pequena dispersão entre as zonas medidas, enquanto a superfície da peça experimenta condições gasosas diferentes devido à disposição da carga, à circulação, a fugas na porta, aos produtos dos queimadores ou à evacuação da atmosfera. Um termopar protegido pode indicar a temperatura pretendida, enquanto uma peça próxima de uma abertura recebe uma corrente oxidante. Nesse caso, o controlador está correto quanto à temperatura, mas errado quanto ao resultado do processo. \[1\] \[1\] **Atmosphere Control for the Protection of Metals During Production Processes**. Cambridge University Press. Cambridge University Press chapter, 2012. Cambridge University Press publication

O capítulo da Cambridge University Press “Atmosphere Control for the Protection of Metals During Production Processes” (2012) distingue o reaquecimento para transformação mecânica do tratamento térmico final. Essa distinção é importante porque a carepa tolerada antes da forjagem pode ser removida durante o processamento posterior, enquanto a carepa ou a descarburação após a têmpera final podem alterar diretamente o componente fornecido. Uma atmosfera oxidante não controlada pode causar formação de carepa e, no aço, descarburação em ambos os casos; a consequência aceitável é que é diferente.

As reações superficiais também dependem do tempo. Uma breve exposição durante o carregamento ou a transferência pode ser insignificante para uma geometria e prejudicial para outra. Bordos finos, roscas, cantos vivos e superfícies com elevada relação área/volume podem reagir mais rapidamente do que uma secção espessa. Os elementos de liga podem alterar o comportamento perante a oxidação, mas não eliminam a necessidade de controlar a condição-limite. “O forno atingiu a temperatura” é, por conseguinte, um registo incompleto do processo.

### A diferença entre proteção e controlo do processo

A proteção e o controlo do processo abordam níveis diferentes do desempenho superficial.
| Proteção | Controlo do processo |
|---|---|
| Objetivo principal | Limitar a oxidação visível e a formação de carepa |
| Requisito químico | Controlar as trocas de oxigénio, carbono, azoto ou hidrogénio |
| Verificação | O aspeto visual pode ser suficiente para uma triagem |
| Base de aceitação | Resultados de ensaios de química superficial e metalúrgicos |

Proteção significa limitar a oxidação visível, a carepa e os danos superficiais relacionados. O controlo do processo vai mais longe: exige que a atmosfera produza repetidamente a química superficial especificada. Essa distinção separa uma peça de aspeto limpo de uma peça metalurgicamente válida.

Um ambiente rico em azoto ou, de outro modo, com baixa oxidação pode suprimir a formação evidente de carepa e, ainda assim, permitir a descarburação se o seu potencial de carbono estiver incorreto. Por conseguinte, um gás selecionado apenas por evitar a alteração da cor pode ser inadequado para a têmpera, o recozimento, a normalização ou a cementação. A pergunta relevante não é “A superfície manteve-se brilhante?”. É “A superfície trocou oxigénio, carbono, azoto ou hidrogénio com o gás na direção e na quantidade permitidas?”

A abordagem da ASM International, de 2017, aos controlos das atmosferas de forno identifica dois grupos principais de controlo: **controlo da atmosfera de alimentação** e **controlo da atmosfera do forno**. O controlo da atmosfera de alimentação diz respeito ao gás ou à mistura gasosa fornecida ao forno — à sua geração, mistura, pureza, pressão e composição relevante. O controlo da atmosfera do forno diz respeito à condição existente no interior da câmara de aquecimento e à superfície de trabalho depois de as fugas, a combustão, a dissociação, as reações com os dispositivos e as reações com a carga terem alterado o gás fornecido. Uma alimentação corretamente preparada pode produzir uma atmosfera de forno incorreta. O inverso também é verdadeiro: uma leitura na câmara pode parecer aceitável enquanto o sistema de alimentação está instável e a carga seguinte é exposta a uma condição diferente.

A medição e a verificação têm de corresponder ao resultado pretendido. As leituras relacionadas com o potencial de oxigénio ou com o ponto de orvalho podem revelar a tendência oxidante, enquanto as relações que envolvem o vapor de água, o dióxido de carbono e a pressão parcial de oxigénio podem apoiar o controlo do potencial de carbono. A localização da medição é importante, tal como o tempo de resposta. Um sensor próximo da entrada de gás pode não representar a atmosfera em torno de peças densamente acondicionadas.

É também por isso que o controlo da atmosfera não deve ser confundido com uma especificação de revestimento ou de pós-tratamento. A ISO 17834:2003 diz respeito a revestimentos metálicos projetados termicamente para proteção contra a corrosão e a oxidação a alta temperatura até 1000 °C (1273 K). A ISO 12944-4:2017 aborda os graus de preparação da superfície de estruturas de aço-carbono e de baixa liga, incluindo superfícies não revestidas, projetadas termicamente, galvanizadas, galvanizadas por eletrodeposição, sherardizadas e pintadas. Essas normas abordam superfícies protetoras ou a sua preparação; não substituem o controlo do potencial de carbono durante a austenitização.

Para o tratamento térmico associado à soldadura e a processos afins, a ISO 17663:2023 especifica requisitos de qualidade para o tratamento térmico ao ar ou em atmosferas controladas, principalmente para aços ferríticos e para trabalhos realizados em oficinas ou no local. O seu âmbito reforça o ponto central: a atmosfera faz parte da operação sujeita a controlo da qualidade. Um simples registo da temperatura do forno não pode demonstrar que a oxidação foi limitada, que a descarburação se manteve dentro da especificação ou que o perfil de carbono superficial pretendido sobreviveu ao ciclo.

## Oxidação, Carepa e a Superfície do Aço

![Carepa de óxido de ferro estratificada sobre uma superfície de aço afetada pelo carbono.](/images/uploads/1942f708-42b2-4310-bb59-302dda9723f1/wiki-inline-a-macro-cross-section-of-oxidized-steel-showing-layered-w-stite-magnetite-and-he-1520x1920.jpg)[](/images/uploads/1942f708-42b2-4310-bb59-302dda9723f1/wiki-inline-a-macro-cross-section-of-oxidized-steel-showing-layered-w-stite-magnetite-and-he-2027x2560.avif "Ampliar imagem — Carepa de óxido de ferro estratificada sobre uma superfície de aço afetada pelo carbono.")Oxide scale and carbon loss can develop together but remain different surface reactions.

### Como se forma a carepa durante o aquecimento

A carepa é o óxido formado quando uma superfície de aço aquecida reage com materiais que contêm oxigénio no ambiente do forno. A reação não requer apenas oxigénio gasoso livre. O vapor de água, o dióxido de carbono e o oxigénio que entram com os produtos da combustão ou através de fugas de ar podem todos participar, sendo a velocidade da reação determinada pela temperatura, pelo tempo de exposição, pela composição do gás, pela composição do aço e pelo estado da superfície antes do aquecimento.

A temperaturas elevadas, o ferro presente à superfície transfere eletrões para espécies que contêm oxigénio. O resultado pode incluir óxidos de ferro como a wüstite (FeO), a magnetite (Fe₃O₄) e a hematite (Fe₂O₃). Estas fases não ocorrem necessariamente nas mesmas proporções, e uma película escura visível não pode ser associada a uma única composição apenas com base na sua cor. O óxido mais exterior pode diferir da camada adjacente ao metal, enquanto os elementos de liga podem modificar a estrutura da carepa ou produzir óxidos distintos. Uma película fina e aderente e uma carepa espessa, fissurada e pouco aderente são ambas “óxido”, mas não têm a mesma importância metalúrgica.

O U.S. Department of Commerce, National Bureau of Standards, em *Heat Treatment and Properties of Iron and Steel* (1966), identifica a oxidação como a origem da carepa e designa como descarbonetação a perda de carbono da superfície. A mesma publicação descreve também o vapor de água presente nos produtos da combustão como prejudicial. Esta distinção é importante, porque a oxidação e a descarbonetação podem ocorrer em simultâneo sem constituírem a mesma reação. A oxidação consome ou transforma o metal superficial; a descarbonetação reduz a concentração de carbono no aço imediatamente sob a superfície. Uma condição do forno pode, portanto, produzir uma camada visível de carepa, uma zona empobrecida em carbono ou ambas.

#### Consequências da desagregação da carepa

- **Exposição da superfície** A desagregação pode expor aço novo e permitir outro ciclo de oxidação.
- **Contaminação do forno** O material desprendido pode obstruir as soleiras do forno.
- **Danos no ferramental** A carepa pode marcar os cilindros e contaminar as matrizes.
- **Variação dimensional** A carepa residual pode afetar operações posteriores de forjamento, laminagem ou maquinagem.

A formação de carepa também se altera à medida que o ciclo de aquecimento avança. A oxidação inicial pode criar uma película relativamente contínua. O crescimento contínuo pode tornar a carepa mais espessa e menos aderente, sobretudo quando a expansão térmica, o manuseamento no forno ou as tensões de transformação a perturbam. Os ciclos repetidos de aquecimento e arrefecimento podem causar fissuração e descamação. A carepa pode então desprender-se da peça e expor aço novo, permitindo outro ciclo de oxidação. O material desprendido não é detrito inofensivo: pode marcar os cilindros, obstruir as soleiras dos fornos, contaminar as matrizes e criar variações dimensionais quando o material for posteriormente forjado, laminado ou maquinado.

O capítulo da Cambridge University Press, “Atmosphere Control for the Protection of Metals During Production Processes” (2012), distingue o reaquecimento para operações de conformação do tratamento térmico final. Esta distinção é essencial. Durante o reaquecimento para forjamento ou laminagem, parte da carepa pode ser removida por descarepagem, deformação, decapagem, jateamento ou maquinagem posterior. O processo pode tolerar uma alteração superficial que seria inaceitável num componente acabado, desde que a carepa e qualquer metal afetado sejam removidos sem comprometer a secção exigida.

O tratamento térmico final é menos tolerante. A austenitização, a têmpera, o revenido, o recozimento e o alívio de tensões podem ser especificados para produzir uma determinada condição superficial, além de uma microestrutura específica no volume do material. A carepa pode alterar as dimensões, interferir no contacto durante a têmpera, ocultar marcas de retificação ou fissuras e afetar as sobremedidas de maquinagem subsequentes. Pode também alterar o resultado dos métodos de inspeção visual, por partículas magnéticas ou de outros tipos. Uma peça que atinja a dureza exigida no núcleo pode ainda assim não cumprir um requisito superficial porque a sua condição de óxido e de carbono não foi controlada.

### Espécies oxidantes e entrada de ar no forno

Uma atmosfera só é protetora relativamente às reações que suprime. O controlo da atmosfera do forno envolve, portanto, tanto o gás fornecido ao forno como a capacidade do forno para impedir a entrada de gases indesejados. O *ASM Handbook*, Volume 4B (2017), da ASM International, identifica o “controlo da atmosfera do forno e da atmosfera de alimentação” como os dois principais grupos de controlo. A qualidade do gás não pode compensar uma porta aberta, uma vedação danificada, uma mufla deteriorada, um queimador mal regulado ou uma condição de pressão que faça entrar ar na zona quente.

A entrada de ar introduz oxigénio molecular, azoto e humidade. O oxigénio favorece a oxidação direta, enquanto o vapor de água pode reagir com o ferro e também participar em reações que alteram o potencial de carbono à superfície do aço. O dióxido de carbono é outro constituinte reativo. Em atmosferas que contêm monóxido de carbono e dióxido de carbono, o equilíbrio entre estes gases influencia a tendência da superfície para ganhar carbono, perder carbono ou aproximar-se do equilíbrio com o aço. A condição relevante não é simplesmente o facto de um gás ser designado “protetor”; é o potencial químico existente na superfície da peça.

O material da ASM de 2017 sobre atmosferas de fornos considera as reações gasosas, os principais gases e vapores e a descarbonetação do aço relacionada com a atmosfera como partes centrais da tecnologia de tratamento térmico. O *Steel Heat Treatment Handbook* (CRC Press, 2014) aborda igualmente o dióxido de carbono, o amoníaco e outros gases reativos em relação à resistência à oxidação e ao controlo do carbono superficial. O amoníaco, por exemplo, pode fornecer azoto em processos adequados, mas os seus produtos de decomposição e o equilíbrio resultante entre hidrogénio e azoto não fazem dele um gás anticarepa universal. Cada atmosfera deve ser adequada ao tipo de aço, à temperatura, à conceção do forno, ao padrão de carga e à condição de carbono superficial exigida.

O vapor de água merece especial atenção, porque pode estar presente mesmo quando o forno parece vedado. O aquecimento por combustão produz água como produto normal da reação, e o material de carga húmido, as fugas nos sistemas de arrefecimento, o gás de alimentação húmido ou uma secagem inadequada podem acrescentar mais vapor. O ponto de orvalho, a pressão parcial de oxigénio, o dióxido de carbono e medições relacionadas podem, por isso, fornecer informações de processo mais úteis do que a simples designação de um gás. O Volume 4B da ASM descreve o controlo do potencial de carbono através de medições ou relações que envolvem o vapor de água, o dióxido de carbono e a pressão parcial de oxigénio. Estas variáveis ajudam a determinar se a superfície irá oxidar, descarbonetar, cementar ou permanecer próxima da composição pretendida para o aço.

A atmosfera necessária também depende do objetivo da operação. Um forno de reaquecimento para conformação a quente pode aceitar uma oxidação controlada seguida de remoção mecânica da carepa, enquanto um forno de têmpera final para um componente cementado ou de elevado teor de carbono exige, em geral, um controlo muito mais rigoroso tanto da carepa como da atividade do carbono. Tratar ambas as operações como equivalentes pode levar à aceitação de uma condição superficial que invalide a inspeção posterior ou o requisito de serviço.

A ISO 17663:2023 especifica requisitos de qualidade para o tratamento térmico em ar ou em atmosferas controladas, principalmente para aços ferríticos, e abrange trabalhos realizados em oficinas e no local, relacionados com a soldadura e processos afins. Não transforma o controlo atmosférico numa receita baseada num único gás. Reforça a perspetiva de processo: a atmosfera, o equipamento, a monitorização, os registos e o resultado especificado devem ser coerentes entre si.

### Remoção da carepa e suas consequências metalúrgicas

Os métodos de remoção da carepa podem alterar o substrato e não restauram o carbono perdido.
| Método de remoção | Consequência potencial |
|---|---|
| Descarepagem mecânica | Pode deixar óxido em cavidades ou produzir sulcos |
| Granalhagem ou jateamento abrasivo | Pode alterar a rugosidade e arredondar arestas |
| Decapagem | Pode aumentar a rugosidade ou criar preocupações relacionadas com o hidrogénio |
| Retificação | Remove o metal afetado adjacente, altera as dimensões e pode gerar aquecimento local |

Remover a carepa não é o mesmo que restaurar a superfície original do aço. A descarepagem mecânica pode expor metal são, mas também pode deixar óxido em cavidades, provocar sulcos ou criar marcas direcionais. O jateamento com granalha e o jateamento abrasivo alteram a rugosidade e podem arredondar arestas. A decapagem dissolve os óxidos através de um ataque químico; contudo, uma decapagem excessiva ou mal controlada pode aumentar a rugosidade ou introduzir problemas relacionados com o hidrogénio em aços de elevada resistência suscetíveis a esse fenómeno. A retificação remove a carepa e o metal afetado adjacente, mas altera as dimensões e pode gerar aquecimento local.

#### Não confundir limpeza com reparação

Se a oxidação tiver sido acompanhada por descarbonetação, a camada empobrecida em carbono pode estender-se abaixo da carepa. A descalcificação não restaura o carbono; a camada afetada pode exigir maquinagem, reprocessamento ou ensaios de acordo com a especificação.

O erro mais grave consiste em remover o óxido visível e presumir que o efeito metalúrgico desapareceu. Se a oxidação tiver sido acompanhada por descarbonetação, a camada empobrecida em carbono pode estender-se para além da carepa. A descarepagem não restaurará o seu teor de carbono. Dependendo do aço e do tratamento, pode ser necessário remover por maquinagem a camada afetada, reprocessá-la ou aceitá-la apenas depois de ensaios demonstrarem que permanece dentro da especificação. A dureza superficial, a profundidade da camada, o desempenho à fadiga e a sensibilidade à fissuração podem depender do que permanece sob a superfície limpa.

A remoção da carepa também pode afetar os resultados da inspeção. Uma camada espessa de óxido pode ocultar descontinuidades, enquanto uma limpeza agressiva pode abrir defeitos estreitos e torná-los mais fáceis de detetar. A rugosidade superficial pode aumentar as indicações nos ensaios por partículas magnéticas ou por líquidos penetrantes, e resíduos abrasivos ou contaminação química podem interferir com o revestimento ou a galvanoplastia. O método de inspeção, os critérios de aceitação e o procedimento de limpeza devem, portanto, ser considerados em conjunto, em vez de serem tratados como etapas oficinais independentes.

Nem todas as superfícies escuras requerem remoção pela mesma razão. Uma película fina de óxido aderente, uma carepa de alta temperatura estratificada, uma coloração de revenido e resíduos de uma atmosfera de tratamento podem diferir quanto à composição, espessura, aderência e efeito no desempenho. A sua aparência, por si só, não constitui prova suficiente. Quando a condição superficial é crítica, podem ser necessários um exame da superfície, medições de dureza, verificações metalográficas ou verificações químicas e dimensionais.

Existem normas específicas para a proteção posterior, e não para a própria atmosfera do forno. A ISO 17834:2003 abrange revestimentos metálicos projetados termicamente para proteção contra a corrosão e a oxidação a alta temperatura, a temperaturas até 1000 °C (1273 K). A ISO 12944-4:2017 define graus de preparação para estruturas de aço-carbono e de baixa liga e distingue superfícies não revestidas, projetadas termicamente, galvanizadas, galvanizadas por eletrodeposição, sherardizadas e pintadas. Estas classificações não desculpam um controlo deficiente do forno. Um revestimento pode proteger uma superfície preparada, mas não pode corrigir de forma fiável uma camada descarbonetada não medida, uma perda dimensional ou óxido retido num defeito. A proteção da superfície começa pelo controlo da reação entre o aço e a atmosfera durante o aquecimento.

## Descarbonetação e controlo do carbono à superfície

A descarbonetação é a perda de carbono da superfície do aço durante o aquecimento. Não é o mesmo que oxidação. A oxidação reage com o ferro e os elementos de liga, formando carepa, ao passo que a descarbonetação altera a composição química do aço subjacente à carepa ou, por vezes, ocorre simultaneamente com a sua formação. Por conseguinte, um forno pode produzir uma superfície de aspeto brilhante com uma perda de carbono inaceitável, ou uma superfície coberta de carepa cujo teor de carbono subjacente permanece próximo da especificação.

O manual *Heat Treatment and Properties of Iron and Steel* (1966), do U.S. National Bureau of Standards, identifica diretamente ambos os riscos: as atmosferas protetoras são utilizadas para evitar a oxidação superficial, ou formação de carepa, e a perda de carbono das camadas superficiais, ou descarbonetação. O manual também descreve o vapor de água presente nos produtos da combustão como prejudicial. Esta distinção é importante, pois a remoção da carepa após o tratamento não repõe o carbono que se difundiu para fora do aço.

![Diagrama que compara a descarbonetação total, parcial e localizada no aço.](/images/uploads/fa6549c0-9175-4bd1-859f-fa1d093f4b97/wiki-inline-a-steel-cross-section-comparing-total-partial-and-localized-decarburization-bene-1520x1920.jpg)[](/images/uploads/fa6549c0-9175-4bd1-859f-fa1d093f4b97/wiki-inline-a-steel-cross-section-comparing-total-partial-and-localized-decarburization-bene-2027x2560.avif "Ampliar imagem — Diagrama que compara a descarbonetação total, parcial e localizada no aço.")Decarburization may form a complete surface zone, a gradient, or a local defect.

### Descarbonetação total, parcial e localizada

#### Formas de descarbonetação

Descarbonetação total

A estrutura original portadora de carbono foi efetivamente removida ou transformada ao longo da camada afetada.

Descarbonetação parcial

O carbono diminui do núcleo para a superfície através de uma região de transição.

Descarbonetação localizada

A perda de carbono está confinada a áreas específicas, como arestas, folgas ou zonas afetadas por fugas.

A descarbonetação total descreve uma zona superficial na qual a estrutura original contendo carbono foi efetivamente removida ou transformada ao longo de toda a camada afetada. Num aço hipoeutectoide, o aquecimento pode deixar uma camada superficial ferrítica onde deveriam estar presentes perlite ou outros constituintes que contêm carbono. Após a têmpera, essa camada não pode formar a mesma martensite rica em carbono que o material não afetado. «Total» refere-se à condição dentro da zona descarbonetada, e não à totalidade da secção transversal do componente.

A descarbonetação parcial é um gradiente. O teor de carbono diminui do núcleo para a superfície, e a microestrutura resultante altera-se continuamente através de uma região de transição. Uma têmpera pode produzir martensite com menor teor de carbono junto ao exterior, seguida, mais para o interior, por martensite com maior teor de carbono, bainite ou pela estrutura pretendida do núcleo. A superfície pode ser aprovada numa inspeção visual, embora continue a ter carbono insuficiente para a dureza ou resistência ao desgaste especificadas.

A descarbonetação localizada está confinada a determinadas áreas, em vez de se distribuir uniformemente pelo componente. As causas incluem fugas no forno, uma porta mal vedada, incidência direta da chama do queimador, folgas entre peças, dispositivos de fixação contaminados, uma aresta exposta ou uma diferença local na circulação do gás. As secções finas e as arestas vivas podem responder de forma diferente das superfícies largas, porque as suas relações superfície/volume e condições de transferência de calor são diferentes. Uma única medição de dureza ao longo de uma secção transversal de uma peça grande pode não detetar este tipo de defeito.

Concentração relativa de carbono

A descarbonetação é descrita como um gradiente que vai de uma menor concentração de carbono à superfície até ao núcleo não afetado.

A profundidade e a gravidade da descarbonetação dependem da temperatura, do tempo, da composição do aço, do estado da superfície, da química da atmosfera e do escoamento do gás. Estes parâmetros devem ser estabelecidos para o processo efetivamente utilizado, em vez de se aplicar um limite universal. O exame metalográfico, as medições de microdureza ao longo de uma secção, a análise do carbono e a comparação com uma região conhecida como não afetada podem distinguir um gradiente superficial de composição de uma alteração estrutural mais profunda. Um valor de dureza medido apenas no centro não constitui prova de que a superfície tenha sido protegida.

A Cambridge University Press, em *Atmosphere Control for the Protection of Metals During Production Processes* (2012), distingue o reaquecimento para conformação do tratamento térmico final. As condições oxidantes não controladas podem ser toleradas de forma diferente durante uma operação de forjamento subsequente e durante um ciclo final de têmpera, no qual a química da superfície afeta diretamente a propriedade final. O objetivo do processo deve, portanto, definir a alteração aceitável do teor de carbono.

### Potencial de carbono e reações de equilíbrio

O potencial de carbono é a atividade do carbono imposta por uma atmosfera a uma temperatura especificada. Em termos práticos, corresponde ao teor de carbono que uma superfície de ferro ou aço de referência tenderia a atingir se alcançasse o equilíbrio com esse gás. Não é simplesmente a percentagem de monóxido de carbono no forno. A mesma composição nominal do gás pode produzir condições superficiais diferentes quando se alteram a temperatura, a pressão, o vapor de água, o dióxido de carbono ou a mistura gasosa.

O potencial de carbono determina a direção da transferência de carbono na superfície austenítica.
| Condição de tratamento | Direção da transferência de carbono | Objetivo típico |
|---|---|---|
| Cementação | O carbono entra na austenite | Aumentar intencionalmente o carbono superficial |
| Neutra | Não ocorre ganho nem perda significativa | Preservar o carbono superficial |
| Descarbonetante | O carbono difunde-se para o exterior | Normalmente, uma condição indesejada durante o endurecimento |

Na cementação, a atmosfera apresenta um potencial de carbono superior à atividade do carbono na superfície do aço. O carbono entra então na austenite e difunde-se para o interior, desde que a temperatura e o tempo de exposição o permitam. Num tratamento neutro, a atmosfera é ajustada de modo que a superfície não ganhe nem perca uma quantidade significativa de carbono. Numa condição descarbonetante, o gás tem um potencial de carbono inferior ao da superfície do aço; assim, o carbono difunde-se para o exterior e reage com espécies oxidantes.

O artigo apresenta três reações gasosas reversíveis que influenciam a atividade do carbono.

Várias reações reversíveis descrevem este controlo. O monóxido de carbono pode participar na reação superficial

\\\[ 2CO \\rightleftharpoons CO\_2 + C \\\]

na qual o carbono depositado pode entrar na austenite. A reação gás-água,

\\\[ CO + H\_2O \\rightleftharpoons CO\_2 + H\_2, \\\]

altera as quantidades relativas de monóxido de carbono e dióxido de carbono e, consequentemente, altera a atividade do carbono na atmosfera. O dióxido de carbono também reage com o carbono na superfície do aço:

\\\[ CO\_2 + C \\rightleftharpoons 2CO. \\\]

Estas reações não ocorrem isoladamente. O aço, a carepa, a fuligem, os refratários do forno e a geometria da peça podem deslocar o equilíbrio local e alterar as velocidades de reação.

A ASM International, em *ASM Handbook, Volume 4B: Heat Treating of Ferrous Alloys*, identifica o controlo da atmosfera do forno e o controlo da atmosfera de alimentação como os dois principais grupos de controlo. O primeiro diz respeito às condições no interior do forno; o segundo diz respeito à geração, purificação, mistura, secagem e distribuição dos gases antes de estes entrarem na zona quente. Um valor de referência corretamente especificado para o forno não consegue compensar um gás húmido, um gerador instável, uma fuga de ar ou um sensor defeituoso. \[2\] \[2\] **ASM Handbook, Volume 4B: Heat Treating of Ferrous Alloys**. ASM International. ASM Handbook, 2017. ASM International, ASM Handbook Volume 4B

A ASM também descreve o controlo do potencial de carbono através de relações que envolvem vapor de água, dióxido de carbono e pressão parcial de oxigénio. As medições de vapor de água e de dióxido de carbono permitem inferir o estado de equilíbrio a partir das razões entre os gases. As sondas de oxigénio medem a pressão parcial de oxigénio e, com um sistema de referência e compensação de temperatura, permitem calcular o potencial de carbono. A medição só é significativa quando a sonda, o sistema de amostragem, a circulação do gás e a calibração permanecem adequados às condições do forno. Uma leitura obtida num único local pode não representar uma zona de trabalho com circulação deficiente.

Pressão parcial de oxigénio **Pressão parcial de oxigénio** Medida da contribuição termodinâmica do componente oxigénio para a atmosfera, utilizada para avaliar a sua tendência para oxidar o aço.

A pressão parcial de oxigénio é especialmente importante, pois mesmo um pequeno potencial oxidante pode consumir carbono na superfície. Reações simplificadas, como

C+H2⁢O→CO+H2

e

C+CO2→2⁢CO

demonstram por que motivo o vapor de água e o dióxido de carbono podem provocar perda de carbono. A oxidação do ferro pode ocorrer simultaneamente, produzindo carepa e alterando a interface através da qual o carbono tem de se difundir. Consequentemente, um gás que pareça «protetor» por conter pouco oxigénio livre pode, ainda assim, descarbonetar o aço através do seu teor de vapor de água ou de dióxido de carbono.

### Por que razão a dureza superficial pode divergir da dureza do núcleo

A dureza depende do teor de carbono, da transformação de fase, da velocidade de arrefecimento e do historial de revenido. A superfície e o núcleo estão sujeitos a atividades de carbono e condições térmicas diferentes, pelo que não têm necessariamente o mesmo resultado. Num ciclo de têmpera integral, uma superfície descarbonetada pode transformar-se em martensite de baixo teor de carbono ou numa mistura de ferrite e martensite, enquanto o núcleo forma a martensite de maior teor de carbono pretendida. A dureza no centro pode cumprir o especificado no desenho, enquanto a superfície de trabalho falha.

A consequência é grave nos aços temperados: um menor teor de carbono superficial reduz a dureza martensítica alcançável e pode diminuir a resistência ao desgaste, à indentação e aos danos por contacto de rolamento. Os aços para ferramentas são particularmente sensíveis, pois as arestas de corte e as faces de contacto dependem de um controlo adequado do carbono e da formação de carbonetos de liga. Uma aresta descarbonetada pode perder dureza mesmo quando o corpo da ferramenta apresenta resultados corretos nos ensaios.

Os [aços para rolamentos](/pt/categorias/aços-para-rolamentos "aços para rolamentos"), como o SAE 52100, exigem um controlo rigoroso do carbono superficial, pois as tensões de contacto de rolamento atuam próximo das pistas e das superfícies dos elementos rolantes. Uma camada macia ou com um gradiente de composição pode alterar as tensões residuais, a austenite retida, a dissolução de carbonetos e a suscetibilidade à formação de fissuras. A dureza do núcleo, por si só, não pode validar um tratamento térmico de rolamentos.

Os aços de baixa liga podem apresentar a mesma divergência, embora a sua temperabilidade possa permitir a existência de um núcleo endurecido substancial sob uma zona exterior empobrecida em carbono. Por conseguinte, os perfis de microdureza superficial, as secções transversais atacadas e as medições do gradiente de carbono são mais informativos do que uma única medição de dureza global.

A norma ISO 17663:2023 especifica requisitos de qualidade para o tratamento térmico em ar ou em atmosferas controladas, principalmente para aços ferríticos em soldadura e processos associados, incluindo trabalhos realizados em oficinas e no local. Fornece um enquadramento de qualidade, e não uma receita universal de potencial de carbono. Do mesmo modo, a norma ISO 17834:2003 aborda os revestimentos metálicos projetados termicamente para proteção contra a corrosão e a oxidação a alta temperatura até 1000 °C (1273 K), enquanto a norma ISO 12944-4:2017 classifica as condições de preparação superficial de estruturas de aço-carbono e de baixa liga. Nenhuma das práticas de revestimento substitui o controlo da atividade do carbono durante a austenitização, a cementação, a têmpera neutra ou o revenido. A proteção superficial e o controlo do carbono superficial devem ser especificados como requisitos de processo separados e verificáveis.

## Principais famílias de atmosferas de forno

A atmosfera do forno é parte integrante do sistema de tratamento térmico, não sendo meramente um gás que envolve a carga. A sua composição define o potencial químico à superfície do aço, enquanto a temperatura determina as velocidades de reação, a difusão, a formação de carepa e a transferência de carbono. Assim, o mesmo gás nominal pode produzir resultados diferentes num forno frio e ligeiramente carregado e num forno quente que contenha óleo, carepa, ligantes ou uma grande massa de aço. O *ASM Handbook*, Volume 4B, da ASM International, divide o controlo da atmosfera em dois grupos principais: controlo da atmosfera do forno e controlo da atmosfera de alimentação. O primeiro diz respeito ao forno, às vedações, aos queimadores, à circulação, aos sensores e ao carregamento; o segundo diz respeito ao sistema de geração, purificação, mistura, fornecimento e monitorização do gás.

### Atmosferas de ar e derivadas da combustão

O ar é a atmosfera de forno mais simples e, geralmente, a menos controlada. O oxigénio, o azoto, o vapor de água e os contaminantes provenientes do forno, dos dispositivos de fixação, dos lubrificantes e das superfícies das peças participam em reações com o aço quente. Em condições oxidantes, formam-se óxidos de ferro que crescem sob a forma de carepa. A temperaturas e com composições gasosas adequadas, o carbono também abandona a superfície do aço sob a forma de monóxido de carbono ou dióxido de carbono, produzindo uma camada descarbonetada. O manual de 1966 do U.S. National Bureau of Standards, *Heat Treatment and Properties of Iron and Steel*, identifica tanto a formação de carepa como a descarbonetação como riscos superficiais primários e descreve especificamente o vapor de água presente nos produtos da combustão como prejudicial.

Ainda assim, o ar pode ser selecionado deliberadamente quando a oxidação superficial é aceitável ou quando a operação é seguida de maquinagem, limpeza abrasiva ou remoção de uma camada superficial sacrificial. No capítulo de 2012 “Atmosphere Control for the Protection of Metals During Production Processes”, a Cambridge University Press distingue o reaquecimento para conformação a quente do tratamento térmico final. A formação de carepa durante o reaquecimento pode ser tolerada como consequência do processo de fabrico; já a formação de carepa e a perda de carbono durante a têmpera, o revenido ou o recozimento podem invalidar a condição superficial exigida. Esta distinção é importante para aços ao carbono como o C45, designado [1.0503](/pt/materiais/número-do-material/1.0503 " — composição, equivalências e normas") na EN 10083-2, e para qualidades de liga como o 42CrMo4, designado [1.7225](/pt/materiais/número-do-material/1.7225 " — composição, equivalências e normas"). Uma especificação de tratamento térmico deve indicar se a composição química superficial faz parte dos critérios de aceitação.

As atmosferas derivadas da combustão variam entre produtos fortemente oxidantes e misturas deliberadamente ajustadas através do controlo do combustível, do ar, do oxigénio em excesso e da humidade. O seu comportamento não pode ser inferido apenas da expressão “gás de combustão” ou “combustion atmosphere”. A composição do combustível, a regulação do queimador, a entrada de ar no forno devido a fugas, o ponto de orvalho, a temperatura do forno e a relação entre o caudal de gás e a carga do forno alteram o potencial de oxigénio e o potencial de carbono à superfície do aço. Num forno mal vedado, um produto da combustão nominalmente redutor pode tornar-se localmente oxidante junto das portas, fissuras ou vias de exaustão.

### Ambientes endotérmicos, exotérmicos, à base de azoto e de vácuo

Os nomes das atmosferas descrevem famílias ou rotas de produção, não resultados superficiais garantidos.
| Família de atmosferas | Função descrita no artigo | Qualificação importante |
|---|---|---|
| Derivada do ar e da combustão | Pode ser selecionada quando a oxidação é aceitável ou quando o material será removido | O combustível, o ar, a humidade, as fugas e a temperatura alteram o comportamento |
| Endotérmica | Normalmente ajustada para cementação, endurecimento neutro ou restauração do carbono | São necessárias estabilidade do gerador e do potencial de carbono |
| Exotérmica | Pode proporcionar um ambiente relativamente seco e com baixo teor de oxigénio | A rota de produção não garante resultados metalúrgicos |
| À base de azoto | Reduz a concentração de espécies oxidantes | O oxigénio residual e a humidade ainda podem reagir |
| Vácuo | Remove a maior parte da fase gasosa | A taxa de fugas, a humidade, a limpeza e o histórico de pressão continuam a ser importantes |

As atmosferas protetoras geradas são normalmente agrupadas em tipos endotérmicos e exotérmicos. O gás endotérmico é produzido pela reação de um combustível hidrocarbonado com o ar sobre um catalisador e é habitualmente ajustado para cementação, têmpera neutra ou reposição de carbono. O gás exotérmico é gerado com uma relação ar/combustível diferente e pode ser utilizado quando é necessário um ambiente relativamente seco e com baixo teor de oxigénio. Estes nomes descrevem métodos de produção, não resultados metalúrgicos garantidos. Dois fornos alimentados com “gás endotérmico” podem produzir reações superficiais diferentes se os respetivos geradores, pontos de orvalho, sistemas de controlo do potencial de carbono, padrões de circulação ou condições de fuga forem diferentes.

Para o aço, o potencial de carbono é a questão decisiva quando o tratamento deve preservar ou alterar o carbono superficial. O material da ASM de 2017 sobre atmosferas de forno identifica relações que envolvem vapor de água, dióxido de carbono e pressão parcial de oxigénio como métodos de avaliação ou controlo do potencial de carbono. As medições e os cálculos de controlo devem estar associados à temperatura do forno e à composição química efetiva do gás. Uma atmosfera com baixo potencial de carbono pode descarbonetar um aço-ferramenta de elevado teor de carbono, enquanto um potencial de carbono excessivamente elevado pode cementar uma superfície de baixo teor de carbono ou criar uma camada rica em carbono indesejada. Nenhum destes resultados é impedido por designar o gás como “protetor”.

#### Verificar a compatibilidade com o azoto

O oxigénio residual e a humidade ainda podem formar carepa de óxido. A temperaturas elevadas, o azoto pode interagir com elementos de liga, e um gás rico em azoto pode diluir uma atmosfera de cementação ou neutra o suficiente para alterar o potencial de carbono.

Os ambientes à base de azoto são fornecidos como azoto industrial ou como misturas que contêm azoto com hidrogénio, monóxido de carbono, metano ou outros aditivos. O azoto reduz a concentração de espécies oxidantes, mas não é automaticamente inerte em todos os processos de tratamento de aços. O oxigénio residual e a humidade podem ainda formar carepa de óxido. A temperaturas elevadas, o azoto pode interagir com elementos de liga e com reações superficiais, enquanto pequenas quantidades de hidrogénio podem alterar o comportamento de redução e afetar os sistemas de segurança. Um gás rico em azoto também pode diluir uma atmosfera de cementação ou neutra o suficiente para alterar o potencial de carbono, mesmo quando o analisador do forno indica uma leitura estável de oxigénio.

Os fornos de vácuo removem a maior parte da fase gasosa, em vez de substituir o ar por uma mistura protetora fixa. Isto reduz acentuadamente a oxidação durante o aquecimento, mas o resultado depende da pressão final, da taxa de fuga, da condutância de bombagem, da limpeza do forno, da desgaseificação de óleos e ligantes e da área superficial exposta da carga. O vapor de água libertado por materiais refratários ou por peças contaminadas pode voltar a entrar na câmara e reagir com o aço quente. O vácuo também não repõe o carbono já perdido por uma superfície. Para qualidades como X153CrMoV12, designada [1.2379](/pt/materiais/número-do-material/1.2379 " — composição, equivalências e normas") segundo a EN ISO 4957, a têmpera em vácuo pode proteger a superfície durante a austenitização, mas o controlo do carbono continua a depender da condição anterior do material e da sequência completa do processo.

### Adições reativas que contêm dióxido de carbono ou amoníaco

Algumas atmosferas contêm gases quimicamente ativos, em vez de serem simplesmente protetoras. O dióxido de carbono é um exemplo fundamental. Às temperaturas de tratamento térmico, o CO₂ participa no equilíbrio entre o monóxido de carbono, o carbono e as espécies que contêm oxigénio. O seu efeito depende da temperatura, da concentração, do tempo de residência do gás, da condição da superfície do aço e dos níveis de CO, H₂, H₂O e hidrocarbonetos presentes. Um excesso de CO₂ pode reduzir o potencial de carbono e promover a descarbonetação; noutras condições, o seu papel faz parte do sistema de reação controlada utilizado para estabelecer um teor de carbono superficial pretendido. Assim, uma leitura de CO₂ efetuada por um analisador de gás não constitui, por si só, uma medição do potencial de carbono.

O amoníaco introduz um conjunto diferente de reações. O amoníaco dissociado fornece azoto e hidrogénio, e as atmosferas que contêm amoníaco podem permitir a nitruração ou a nitrocarburação quando a temperatura, a dissociação, o caudal e a composição química do aço são controlados. A atividade do azoto à superfície determina se se formam nitretos e a profundidade a que o azoto se difunde. Os aços que contêm crómio, molibdénio, alumínio e vanádio respondem de forma diferente, porque os seus nitretos de liga apresentam estabilidade e efeitos distintos sobre a dureza e a tenacidade. O amoníaco também pode afetar as reações de oxidação e redução através dos seus produtos de decomposição. O *Steel Heat Treatment Handbook* (CRC Press, 2014) considera o dióxido de carbono, o amoníaco e outros gases reativos como constituintes da atmosfera que influenciam tanto a resistência à oxidação como o controlo do carbono superficial.

As adições reativas podem ser introduzidas intencionalmente ou entrar acidentalmente através de produtos da combustão, fugas, resíduos de limpeza ou decomposição das cargas do forno. O carregamento do forno altera o equilíbrio: uma grande quantidade de peças oleosas pode consumir espécies reativas e gerar gases adicionais que contêm carbono, enquanto um forno vazio pode expor o aço a uma atmosfera quimicamente diferente com as mesmas definições do controlador. Por conseguinte, a ISO 17663:2023 enquadra o tratamento térmico em ar ou em atmosferas controladas como um requisito de qualidade, principalmente para aços ferríticos e para trabalhos realizados em oficinas ou no local, e não como um simples exercício de seleção do gás.

A proteção superficial fora do forno constitui um tema de controlo distinto. A ISO 17834:2003 aborda os revestimentos metálicos projetados termicamente para proteção contra a corrosão e a oxidação a alta temperatura até 1000 °C (1273 K), enquanto a ISO 12944-4:2017 classifica os graus de preparação superficial para estruturas de aço ao carbono e de baixa liga, incluindo superfícies não revestidas, projetadas termicamente, galvanizadas, eletrodepositadas, sherardizadas e pintadas. Estes sistemas não podem substituir o controlo da atmosfera durante a austenitização, o recozimento, a cementação, a nitruração ou o revenido. A atmosfera deve ser especificada e verificada como uma condição do processo: a identidade do gás, a temperatura, o caudal, a humidade, as fugas, o carregamento e o potencial de carbono contribuem todos para o resultado metalúrgico.

## A Química das Reações na Atmosfera do Forno

A atmosfera do forno não é uma camada passiva em torno do aço quente. É um sistema reativo no qual ocorrem simultaneamente reações gás–metal, reações gás–gás, transferência de massa e difusão superficial. O resultado depende da temperatura, da pressão, da composição gasosa, do caudal, das fugas do forno, da carga de peças e do estado atual da superfície do aço. Assim, uma pequena alteração na humidade ou no dióxido de carbono pode modificar a formação de carepa ou o teor de carbono do metal mais superficial, mesmo quando a temperatura do forno se mantém correta.

A abordagem da ASM International, de 2017, relativa ao controlo das atmosferas de forno divide o tema em dois grupos principais de controlo: controlo da atmosfera do forno e controlo da atmosfera de alimentação. O primeiro diz respeito ao que existe no interior do forno; o segundo, aos gases que nele entram e à consistência do seu fornecimento. Ambos são importantes. Um gás corretamente especificado pode produzir uma atmosfera prejudicial se entrar ar através da vedação de uma porta, de uma zona de pressão desequilibrada ou de uma retorta fissurada.

### Vapor de água, hidrogénio, monóxido de carbono e dióxido de carbono

O vapor de água é particularmente importante porque pode oxidar o ferro e alterar simultaneamente o carbono superficial. Uma representação simplificada da oxidação do ferro pelo vapor é:

**Representação simplificada da reação:** \\\[ \\mathrm{Fe + H\_2O(g) \\rightleftharpoons FeO + H\_2(g)} \\\]

Esta equação não constitui uma descrição completa do comportamento do forno. A oxidação real pode produzir wüstite (FeO), magnetite (Fe₃O₄) e hematite (Fe₂O₃), consoante a temperatura e o potencial de oxigénio. Os elementos de liga podem formar óxidos adicionais e a carepa pode desenvolver várias camadas. A equação evidencia, contudo, a competição importante: o aumento do rácio entre vapor de água e hidrogénio favorece a oxidação, enquanto condições ricas em hidrogénio e secas reduzem a tendência oxidante quando os restantes gases são controlados.

O hidrogénio é, portanto, mais do que um diluente inerte. O rácio hidrogénio–vapor de água é habitualmente utilizado como indicador do potencial de oxigénio, porque a reação

**Representação simplificada da reação:** \\\[ \\mathrm{H\_2(g) + \\tfrac{1}{2}O\_2(g) \\rightleftharpoons H\_2O(g)} \\\]

estabelece uma relação entre o hidrogénio, o vapor de água e o potencial químico do oxigénio. O hidrogénio também pode reduzir alguns óxidos, mas não garante uma superfície limpa. À temperatura do aço, a questão relevante é saber se a mistura gasosa total apresenta um potencial de oxigénio suficientemente baixo para o aço, a temperatura e a reação superficial específicos. Os aços inoxidáveis e os aços de liga podem comportar-se de forma diferente dos aços ao carbono, porque o crómio, o silício, o manganês e outros elementos formam óxidos com diferentes estabilidades.

O vapor de água também afeta a descarburação. O carbono dissolvido na austenite pode reagir indiretamente com o vapor de água, produzindo monóxido de carbono e hidrogénio:

**Representação simplificada da reação:** \\\[ \\mathrm{C\_{(dissolved)} + H\_2O(g) \\rightleftharpoons CO(g) + H\_2(g)} \\\]

O átomo de carbono é fornecido pela superfície do aço, pelo que a reação pode reduzir o carbono superficial, mesmo quando a composição do volume do material se mantém próxima da original. O manual do U.S. National Bureau of Standards, de 1966, identifica a oxidação e a perda de carbono como os principais riscos superficiais no tratamento térmico e descreve especificamente o vapor de água presente nos produtos da combustão como prejudicial. O resultado visível pode ser a formação de carepa; o resultado menos visível é uma camada empobrecida em carbono, com uma resposta de dureza alterada após a têmpera.

O monóxido de carbono e o dióxido de carbono participam diretamente na transferência de carbono. O seu equilíbrio fundamental é:

**Representação simplificada da reação:** \\\[ \\mathrm{2CO(g) \\rightleftharpoons CO\_2(g) + C\_{(surface)}} \\\]

Quando o gás favorece a deposição de carbono, este pode penetrar na austenite. Quando o aço apresenta uma atividade do carbono superior à que a atmosfera circundante consegue suportar, o carbono abandona a superfície e forma monóxido de carbono ou dióxido de carbono. A reação é simplificada porque o carbono depositado ou absorvido não constitui uma película de grafite livre em condições normais de cementação; trata-se de uma permuta de potencial químico com o carbono dissolvido no aço.

Outra representação útil é a oxidação do carbono pelo dióxido de carbono:

**Representação simplificada da reação:** \\\[ \\mathrm{C\_{(steel)} + CO\_2(g) \\rightleftharpoons 2CO(g)} \\\]

Um teor mais elevado de dióxido de carbono pode, assim, promover a descarburação em condições adequadas. O monóxido de carbono também pode reduzir alguns óxidos de ferro, mas o mesmo gás pode cementar o aço se a sua relação de equilíbrio com o dióxido de carbono e com a superfície do aço favorecer a transferência de carbono. A direção da reação é determinada pelos rácios gasosos e pela temperatura, não pela designação “gás protetor”.

O amoníaco acrescenta outra via reacional, pois pode dissociar-se em azoto e hidrogénio. O *Steel Heat Treatment Handbook*, publicado pela CRC Press em 2014, aborda o dióxido de carbono, o amoníaco e outros gases reativos no contexto da resistência à oxidação e do controlo do carbono superficial. Estas atmosferas devem ser tratadas como sistemas químicos, e não como receitas fixas: a dissociação, a humidade, o ar proveniente de fugas e as reações com os materiais refratários do forno podem alterar a atmosfera efetiva antes de esta alcançar a carga.

### Potencial de oxigénio e atividade do carbono

A pressão parcial de oxigénio, pO2, descreve a tendência termodinâmica da atmosfera para oxidar uma superfície. A uma determinada temperatura, uma pressão parcial de oxigénio baixa favorece geralmente o ferro metálico em detrimento do óxido de ferro, enquanto um valor mais elevado favorece a formação de óxidos. O potencial de oxigénio é o conceito químico mais abrangente; a pressão parcial de oxigénio é uma das formas mensuráveis ou calculáveis de o expressar.

O potencial de carbono é diferente. Descreve a tendência de uma atmosfera para transferir carbono para uma superfície de aço ou remover carbono dessa superfície em condições especificadas, normalmente com a austenite como fase recetora. Uma atmosfera pode apresentar um potencial de oxigénio baixo e, ainda assim, não conseguir manter o potencial de carbono necessário. Inversamente, uma mistura gasosa pode proporcionar um potencial de carbono adequado e, simultaneamente, permanecer suficientemente oxidante para formar óxidos indesejados. Estas grandezas estão relacionadas através dos equilíbrios gasosos, mas não são permutáveis.

No caso do monóxido de carbono e do dióxido de carbono, a tendência para a transferência de carbono depende fortemente do rácio CO/CO2 e da temperatura. Em atmosferas que contêm hidrogénio, o rácio H2⁢O/H2 ajuda a indicar o potencial de oxigénio e pode também assinalar condições descarburantes. As sondas de oxigénio medem uma resposta eletroquímica associada à atividade do oxigénio, enquanto os instrumentos de ponto de orvalho avaliam indiretamente a humidade; nenhum dos instrumentos, isoladamente, determina todas as reações superficiais que ocorrem num forno carregado.

O tipo de aço é importante. Um aço ao carbono como o C45, especificado na EN ISO 683-1, reage de forma diferente de um aço de liga como o 42CrMo4, abrangido pela EN ISO 683-2, porque os elementos de liga afetam a estabilidade dos óxidos, a atividade do carbono, a difusão e as transformações de fase. Os valores de controlo devem, portanto, estar associados à temperatura, à composição do aço, ao ciclo de tratamento e ao estado superficial necessário. Uma composição gasosa nominal sem essas variáveis não constitui uma descrição válida do processo.

### Cinética das reações na superfície do aço

#### Etapas que controlam a velocidade da reação superficial

- **Transporte** O gás desloca-se através da camada-limite do forno.
- **Chegada à superfície** A molécula alcança a carepa ou o metal descoberto.
- **Adsorção e reação** A espécie fixa-se e reage na superfície.
- **Remoção dos produtos** Os produtos da reação abandonam a interface.
- **Difusão no sólido** O carbono e os elementos de liga deslocam-se para o interior ou para o exterior do aço.

O equilíbrio termodinâmico prevê a direção preferencial de uma reação; não indica a rapidez com que a superfície se altera. A cinética fornece essa componente em falta. Uma molécula gasosa tem de atravessar a camada-limite do forno, alcançar a carepa ou o metal descoberto, adsorver-se, reagir e permitir a saída dos produtos. Em seguida, o carbono e os elementos de liga difundem-se para o interior ou para fora do aço. Qualquer uma destas etapas pode limitar a velocidade global.

No início do aquecimento, uma superfície recentemente exposta pode reagir rapidamente, por não possuir uma carepa já estabelecida. À medida que o óxido engrossa, a difusão através da carepa pode tornar-se o fator controlador. A porosidade, a fissuração e a fragmentação da carepa podem reabrir a superfície e provocar uma oxidação irregular. A circulação no forno afeta a camada-limite, enquanto o espaçamento entre as peças afeta a rapidez com que o vapor de água, o dióxido de carbono e os produtos da reação são removidos.

A descarburação também se desenvolve como um perfil de concentração, e não como uma perda uniforme instantânea. O carbono difunde-se do interior em direção a uma superfície cuja atividade de equilíbrio do carbono é inferior. A profundidade da camada afetada depende da temperatura, do tempo, da composição do aço, da microestrutura inicial e do potencial de carbono efetivo da atmosfera. A têmpera pode conservar esse perfil, tornando posteriormente visível, sob a forma de um gradiente de dureza, uma reação superficial de curta duração.

A discussão da Cambridge University Press, de 2012, sobre o controlo das atmosferas distingue o reaquecimento para operações de conformação do tratamento térmico final: condições oxidantes não controladas podem ser toleradas de forma diferente durante uma operação de forjamento e durante um ciclo final de endurecimento, no qual a carepa e a descarburação afetam diretamente a superfície especificada. A ISO 17663:2023 também enquadra o tratamento térmico ao ar ou em atmosferas controladas num contexto de qualidade, sobretudo para aços ferríticos e para trabalhos realizados em oficinas ou no local. Consequentemente, a química da atmosfera faz parte da validade do processo. Uma temperatura e um tempo de manutenção corretos não conseguem compensar um ciclo cujo potencial de oxigénio, nível de humidade ou potencial de carbono tenha permitido a alteração da superfície antes de ocorrer a transformação necessária.

## Controlo da Atmosfera: Forno, Alimentação e Medição

O controlo da atmosfera não consiste numa única regulação do caudal de gás. Trata-se do controlo coordenado do recinto do forno e da atmosfera que entra nesse recinto, utilizando medições para determinar se a condição química pretendida chega ao aço. A publicação da ASM International, *Furnace Atmosphere Controls in Heat Treating* (2017), identifica estes como os dois principais grupos de controlo: **controlo da atmosfera do forno** e **controlo da atmosfera de alimentação**. A distinção é importante, porque uma mistura de gases corretamente preparada pode produzir o resultado superficial errado depois de atravessar fugas, queimadores, retortas, percursos de circulação ou uma zona de trabalho fortemente carregada.

### Os dois grupos de controlo identificados pela ASM

O controlo da atmosfera do forno diz respeito ao equipamento que contém e distribui a atmosfera. As vedações das portas, os vestíbulos, as retortas, os sistemas de queimadores, os registos de exaustão, os ventiladores, as soleiras e os defletores internos afetam todos a condição do gás que envolve a carga. A pressão do forno faz parte deste grupo. Uma ligeira pressão positiva pode limitar a entrada de ar através de uma folga na porta, mas uma pressão excessiva pode forçar o gás de processo através das vedações e criar uma condição de exaustão insegura ou quimicamente instável. Uma pressão negativa pode aspirar ar para o interior do forno, especialmente durante o movimento da porta ou através de vedações danificadas.

A distribuição da temperatura e a circulação do gás também pertencem ao lado do forno do problema de controlo. Um forno pode apresentar uma temperatura média satisfatória enquanto permanecem regiões estagnadas mais frias, mais ricas em vapor de água ou empobrecidas de um constituinte reativo. A velocidade do ventilador, a direção do fluxo, o espaçamento da carga, os cestos, os dispositivos de fixação e a área superficial exposta do aço alteram a camada-limite local. As retortas acrescentam outra resistência ao transporte: a atmosfera medida fora da retorta pode não representar o gás no seu interior, sobretudo durante a purga, o aquecimento ou uma alteração rápida da composição.

O grupo da atmosfera de alimentação começa a montante. Inclui os gases de origem, os geradores endotérmicos ou exotérmicos, os sistemas de azoto-metanol, o gás de enriquecimento, o amoníaco dissociado, o propano, o ar, o vapor e o equipamento utilizado para os dosear, misturar, secar, aquecer e fornecer. Os controladores de caudal devem manter a proporção pretendida à medida que a procura varia. Um regulador que mantém a pressão, mas não a composição, não assegura o controlo da atmosfera. Uma linha obstruída ou parcialmente restringida pode produzir o mesmo sintoma que uma receita incorreta: o controlador do forno ordena o potencial de carbono pretendido, mas a peça recebe uma mistura gasosa diferente.

As reações gasosas continuam depois da mistura. O monóxido de carbono e o dióxido de carbono podem participar na reação superficial do aço, enquanto o metano e outros hidrocarbonetos podem fornecer carbono em condições de cementação. O vapor de água pode oxidar o ferro e alterar o equilíbrio das reações que envolvem carbono. O manual do U.S. National Bureau of Standards, *Heat Treatment and Properties of Iron and Steel* (1966), identifica a oxidação, que produz carepa, e a perda de carbono superficial, que produz descarbonetação, como riscos superficiais principais; descreve também o vapor de água nos produtos da combustão como prejudicial. A abordagem da ASM de 2017 sobre atmosferas de forno coloca as reações gasosas, os principais gases e vapores e a descarbonetação relacionada com a atmosfera no centro do controlo do tratamento térmico do aço.

Os grupos do forno e da alimentação interagem continuamente. Uma fuga numa porta pode admitir oxigénio, mas a leitura resultante depende da pressão e da circulação no forno. Uma alteração da área da carga pode consumir ou gerar espécies reativas, alterando a atmosfera mesmo que os caudalímetros de alimentação não se tenham movido. Um ajuste do queimador pode alterar o vapor de água e o dióxido de carbono ao mesmo tempo que altera a entrada de calor. Tratar os dois grupos como se fossem intercambiáveis oculta estas causas.

![Sensores de atmosfera e linhas de amostragem ligados a um forno de tratamento térmico.](/images/uploads/86177d4d-9fad-447e-b4ab-adeac225d917/wiki-inline-a-heat-treatment-control-cabinet-connected-to-an-oxygen-probe-dew-point-sampler-1920x1288.jpg)[](/images/uploads/86177d4d-9fad-447e-b4ab-adeac225d917/wiki-inline-a-heat-treatment-control-cabinet-connected-to-an-oxygen-probe-dew-point-sampler-1920x1288.avif "Ampliar imagem — Sensores de atmosfera e linhas de amostragem ligados a um forno de tratamento térmico.")Sensor location and response time determine whether a reading represents the work zone.

### Sensores, amostragem e circuitos de controlo

Cada medição responde a uma questão diferente sobre o controlo da atmosfera.
| Medição | O que indica | Limitação |
|---|---|---|
| Sonda de oxigénio | Resposta eletroquímica associada à atividade do oxigénio | Depende do estado da sonda, do ar de referência, da temperatura e dos pressupostos de equilíbrio |
| Instrumento de ponto de orvalho | Informação sobre a humidade | A condensação na linha de amostragem pode criar um resultado falsamente seco |
| Analisador de infravermelhos | Concentração de dióxido de carbono ou monóxido de carbono | Mede espécies selecionadas, não todas as reações superficiais |
| Inspeção da zona de trabalho | Resposta efetiva do aço | Normalmente realizada depois do tratamento, e não de forma contínua |

Circuito de controlo **Circuito de controlo** Configuração de controlo do processo na qual um sensor mede uma variável, um controlador a compara com um valor-alvo e uma entrada manipulada é ajustada.

Um circuito de controlo contém normalmente uma variável de processo, um sensor, um controlador e uma variável manipulada. No controlo do potencial de carbono, a variável de processo pode ser inferida a partir da pressão parcial de oxigénio, medida com uma sonda de oxigénio, ou calculada com base em relações que envolvem monóxido de carbono, dióxido de carbono e vapor de água. A medição do ponto de orvalho fornece informação sobre o vapor de água. Os analisadores de infravermelhos podem medir dióxido de carbono ou monóxido de carbono, enquanto os analisadores de oxigénio fornecem uma indicação direta de contaminação oxidante. Estes instrumentos não medem “a atmosfera” como uma grandeza universal; cada um responde a uma determinada espécie química, temperatura, pressão e estado de calibração.

Uma sonda de oxigénio instalada na zona quente de trabalho pode fornecer um sinal eletroquímico rápido, mas a sua interpretação depende da temperatura da sonda, do ar de referência, do estado do sensor e do equilíbrio de reação gasosa assumido. Um sensor de ponto de orvalho localizado num armário de amostragem arrefecido mede uma amostra transportada e condicionada, não o gás à temperatura do forno. A condensação na linha de amostragem remove água da amostra e cria um resultado falsamente seco. Os gases reativos podem também reagir com as paredes dos tubos, os filtros ou o condensado antes de chegarem ao analisador. Assim, o material, o comprimento, o diâmetro, o aquecimento de traçado, a filtração e o caudal da amostra da linha passam a fazer parte do sistema de medição.

A calibração deve ser adequada ao instrumento e ao processo. As verificações de zero e de span, os gases de referência, a verificação da sonda e os registos de deriva permitem determinar se uma alteração é real ou instrumental. Uma indicação de potencial de carbono calculada a partir de um sinal em milivolts de uma sonda de oxigénio pode permanecer estável enquanto a sonda fica revestida, o percurso do ar de referência fica obstruído ou a temperatura do forno utilizada no cálculo está errada. O controlador pode então efetuar uma correção correta com base numa medição incorreta.

O tempo de resposta é igualmente importante. A composição do gás numa estação de mistura altera-se primeiro; a linha de fornecimento altera-se em seguida; a atmosfera do forno altera-se depois de o novo gás deslocar o volume antigo; e a superfície do aço responde após um atraso adicional determinado pela temperatura, pela geometria e pela cinética da reação. Uma linha de amostragem curta junto à entrada pode mostrar uma alteração em degrau em segundos, enquanto uma sonda próxima da peça permanece praticamente inalterada durante minutos. Se o controlador atuar mais depressa do que o processo consegue responder, pode ocorrer sobreelevação e oscilação. Se atuar demasiado lentamente, uma excursão real de descarbonetação pode continuar depois de o limiar de alarme ter sido ultrapassado.

O feedback deve, por conseguinte, basear-se num volume de controlo definido. Um valor de referência de uma receita é um comando, não uma prova de proteção da superfície. O potencial de carbono, o nível de oxigénio ou o ponto de orvalho comandados devem ser verificados através de uma medição independente e, quando praticável, comparados com o resultado no aço. O carbono superficial, a carepa, a microdureza e as evidências metalográficas podem revelar um problema de atmosfera que um analisador remoto não detetou. Isto é particularmente importante para os tipos de aço cuja profundidade de camada, dureza ou teor de carbono superficial especificados deixam pouca margem para a descarbonetação.

### Por que razão a localização da medição altera a interpretação

O mesmo gás pode produzir leituras diferentes em posições diferentes. Perto da entrada de alimentação, a amostra pode representar a mistura antes de esta ter entrado em contacto com a carga. Acima de um cesto denso, pode representar uma bolsa estagnada. Perto de uma saída de exaustão, pode ser diluída por fugas ou enriquecida por produtos de reação. No interior de uma retorta, pode diferir da atmosfera do forno aberto, porque a troca gasosa é limitada. Uma sonda montada numa zona quente pode indicar a atmosfera em torno da sonda, enquanto a superfície do aço se encontra atrás de dispositivos de fixação ou no interior de uma carga compacta.

A localização da amostragem também determina se a leitura é preditiva ou diagnóstica. Um analisador a montante identifica o que o sistema de alimentação está a fornecer. Uma sonda na zona de trabalho indica o que sobreviveu ao transporte e às reações no forno. Uma amostra de exaustão pode mostrar o resultado integrado de fugas, combustão e reação da carga, mas pode não identificar onde ocorreu a alteração. Nenhuma destas posições é automaticamente correta; cada uma responde a uma pergunta diferente.

A carga de aço faz parte dessa interpretação. Peças limpas, oleosas, húmidas, com carepa ou fortemente oxidadas libertam vapores e consomem gases reativos durante o aquecimento. Uma grande área superficial pode alterar o equilíbrio local do carbono mais do que um pequeno cupão de ensaio. Os dispositivos de fixação e os materiais refratários também podem reagir com a atmosfera. Por esse motivo, uma calibração sem carga não valida completamente um ciclo de produção.

A ISO 17663:2023 especifica requisitos de qualidade para o tratamento térmico ao ar ou em atmosferas controladas, principalmente para aços ferríticos e para trabalhos realizados em oficinas ou no local. A sua relevância é tanto processual como metalúrgica: a condição controlada deve ser definida, monitorizada e relacionada com o trabalho. A discussão da Cambridge University Press de 2012 sobre o controlo da atmosfera separa igualmente o reaquecimento para operações de conformação do tratamento térmico final, alertando para o facto de atmosferas oxidantes não controladas causarem formação de carepa e, nos aços, descarbonetação. O resultado válido não é, portanto, o valor apresentado junto a um painel de gases. É a relação demonstrada entre a composição da alimentação, a condição do forno, a atmosfera medida na zona de trabalho, o historial de exposição e a superfície do aço obtida.

## Seleção da Atmosfera por Grau de Aço e Operação de Tratamento Térmico

A seleção da atmosfera deve ter em conta tanto a família do aço como a operação a realizar. Um gás que protege um aço de baixo teor de carbono durante o recozimento pode alterar a superfície de um anel de rolamento de alto teor de carbono durante a austenitização. O resultado pretendido também pode variar: o reaquecimento para forjamento pode tolerar carepa que será posteriormente removida, ao passo que um componente acabado, cementado, temperado ou retificado pode não tolerar oxidação mensurável nem perda de carbono.

O manual do *National Bureau of Standards* dos EUA, *Heat Treatment and Properties of Iron and Steel*, identifica diretamente os dois principais riscos superficiais: a oxidação forma carepa, enquanto a perda de carbono à superfície provoca descarburização. O manual também descreve o vapor de água presente nos produtos da combustão como prejudicial. A abordagem da ASM International, de 2017, relativa ao controlo das atmosferas de forno distingue o controlo do forno do controlo da atmosfera de alimentação. Ambos são importantes. Um gás corretamente especificado pode ainda produzir um resultado defeituoso se o caudal, o ponto de orvalho, o potencial de oxigénio, o potencial de carbono, as fugas, a regulação dos queimadores ou o carregamento do forno estiverem incorretos.

### Aços ao carbono e de baixa liga

Os aços ao carbono simples e os aços de baixa liga são frequentemente discutidos como se a sua designação, por si só, determinasse a atmosfera. Não determina. AISI/SAE 1018, AISI/SAE 1045, AISI/SAE 4140 e AISI/SAE 4340 podem todos ser aquecidos em fornos descritos como “neutros”, mas a condição superficial aceitável varia consoante a operação, a dimensão da secção e a sobremedida de maquinação subsequente.

Num aço de baixo teor de carbono, como o AISI/SAE 1018, uma pequena perda de carbono à superfície pode ter pouco efeito nas propriedades de tração do volume do material, uma vez que a concentração de carbono já é baixa. Ainda assim, essa perda pode ser relevante numa região fina endurecida superficialmente, numa aresta maquinada ou quando a superfície tiver de responder uniformemente, mais tarde, à cementação, ao endurecimento por indução ou à nitruração. No AISI/SAE 1045, a descarburização na superfície de um veio ou engrenagem pode reduzir o carbono disponível para a formação de martensite. O resultado pode ser uma camada superficial mais macia sob uma carepa aparentemente removível através de uma operação normal de remoção.

Os aços de baixa liga para têmpera, como o AISI/SAE 4140 e o AISI/SAE 4340, apresentam uma preocupação diferente. O crómio, o molibdénio, o manganês e o silício influenciam as reações de oxidação e a temperabilidade, mas as adições de liga não tornam a superfície imune à perda de carbono. Uma superfície empobrecida em carbono pode permanecer mais fraca após a têmpera, mesmo quando o núcleo atinge a dureza especificada. As películas de óxido também podem interferir com a inspeção dimensional, os ensaios por partículas magnéticas, a aderência de revestimentos ou a maquinação posterior.

Para estes graus de aço, a atmosfera é selecionada de acordo com o equilíbrio de carbono exigido. Uma atmosfera neutra ou controlada deve manter a atividade do carbono à superfície próxima do valor pretendido para o aço; uma condição cementante só é adequada quando é especificado um aumento intencional do teor de carbono. O potencial de carbono não é estabelecido apenas pela designação de um gás. O *ASM Handbook*, Volume 4B, descreve relações de controlo que envolvem vapor de água, dióxido de carbono e pressão parcial de oxigénio, juntamente com métodos de medição diretos ou indiretos. Na prática, o sistema de controlo do forno e os respetivos sensores determinam se a atmosfera indicada existe realmente na peça.

As secções finas aquecem rapidamente e apresentam uma elevada relação superfície/volume. Podem perder uma fração maior da sua camada superficial portadora de carbono antes de a carga atingir a temperatura pretendida. As peças soldadas podem ser ainda mais sensíveis: o metal de soldadura, a zona termicamente afetada e o metal de base podem ter composições e microestruturas prévias diferentes, enquanto as tensões residuais e as películas de óxido variam ao longo da junta. A ISO 17663:2023 especifica requisitos de qualidade para o tratamento térmico em atmosferas de ar ou controladas associado à soldadura e a processos conexos, aplicando-se principalmente a aços ferríticos e a trabalhos realizados em oficinas ou no local. Assim, sustenta o tratamento térmico de peças soldadas como um processo documentado, e não como uma simples exposição informal ao forno.

### Aços para ferramentas, rolamentos e de alto teor de carbono

Os aços de alto teor de carbono exigem um controlo mais rigoroso, porque a concentração de carbono à superfície afeta diretamente a dureza, a resistência ao desgaste, a austenite retida e a estabilidade dimensional. São exemplos o aço para rolamentos AISI/SAE 52100, o aço para ferramentas AISI D2, o AISI O1 e o AISI W1. A condição da sua superfície após a austenitização não é uma questão meramente estética.

Uma camada descarburizada no AISI/SAE 52100 pode originar uma região macia sob a pista de rolamento. A remoção da carepa por limpeza ligeira não elimina necessariamente essa camada. Num aço para ferramentas como o AISI D2, a perda de carbono à superfície pode reduzir o carbono disponível para formar a estrutura martensítica e com carbonetos pretendida. Uma oxidação excessiva também pode alterar a sobremedida de retificação e promover defeitos durante o acabamento. O AISI O1 e o AISI W1 são igualmente vulneráveis durante a têmpera, porque o seu desempenho depende fortemente do carbono retido à superfície.

Os componentes de alto teor de carbono não ficam simplesmente protegidos tornando a atmosfera “rica em carbono”. Um potencial de carbono excessivo pode produzir fuligem, deposição de carbonetos ou uma química superficial alterada, em vez de um resultado controlado. A atmosfera necessária deve ser ajustada ao grau de aço, à temperatura de austenitização, ao tempo de exposição e à resposta do forno. O processamento em vácuo, a baixa pressão, em banho de sais, com gás neutro controlado ou com uma atmosfera deliberadamente ajustada em carbono podem ser tecnicamente aplicáveis, mas a escolha depende da condição superficial especificada e da capacidade do equipamento.

Os anéis de rolamento e as ferramentas de precisão também evidenciam um problema dimensional. A oxidação consome metal da superfície e pode criar carepa em cantos, furos e dispositivos de contacto. Os gradientes térmicos e a circulação desigual do gás podem fazer com que uma região oxide ou descarburize mais do que outra. A espessura da secção, o aninhamento das peças, a densidade de carregamento, a condição prévia esferoidizada ou recozida e o estado do revestimento refratário do forno devem, por isso, fazer parte da decisão relativa à atmosfera. A designação do aço é apenas o ponto de partida.

A mesma lógica aplica-se aos [aços para molas](/pt/categorias/aços-para-molas "aços para molas") e aos arames de alto teor de carbono. Um arame fino pode atingir rapidamente a temperatura de tratamento, deixando pouco tempo para o operador detetar um desvio da atmosfera antes de o carbono superficial se alterar. Os componentes temperados são especialmente sensíveis, porque as suas propriedades finais já estão estabelecidas por uma sequência estreita de aquecimento, têmpera e revenido. Um defeito superficial formado durante a austenitização não pode ser corrigido de forma fiável pelo revenido.

### Austenitização, recozimento, normalização, revenido e alívio de tensões

Os requisitos da atmosfera variam consoante a operação de tratamento térmico.
| Operação | Preocupação relativa à atmosfera | Implicação para a superfície |
|---|---|---|
| Austenitização | Oxidação rápida e transferência de carbono | Pode alterar a dureza e o carbono superficial |
| Recozimento | Uma exposição prolongada aumenta a oportunidade de reação | A carepa ou a perda de carbono podem exigir sobremetal de maquinagem |
| Normalização | Frequentemente realizada ao ar para material que será posteriormente processado | A alteração superficial pode ser inaceitável para peças destinadas a serviço direto |
| Revenido | Uma temperatura mais baixa não elimina a oxidação | Condições de baixa oxidação protegem o acabamento e as dimensões |
| Alívio de tensões | A exposição ao ar pode criar carepa em superfícies preparadas | Pode ser necessária uma proteção controlada para componentes acabados |

A austenitização é normalmente a operação mais sensível à atmosfera. O aço é aquecido até ao intervalo austenítico, onde a oxidação e a transferência de carbono podem ocorrer rapidamente. Os aços de alto teor de carbono e os aços para ferramentas exigem um controlo que preserve o carbono superficial, enquanto os aços de baixo teor de carbono podem exigir proteção contra a perda de carbono quando a superfície for posteriormente endurecida ou cementada. A carga deve ser aquecida uniformemente, sem considerar o valor de referência do forno como prova da temperatura da peça ou da condição da sua superfície.

O recozimento permite geralmente uma exposição mais prolongada ao forno do que a têmpera, o que aumenta a possibilidade de formação de carepa e de descarburização. O recozimento completo, o recozimento subcrítico e o recozimento para esferoidização também diferem em temperatura e tempo, pelo que não existe uma única “atmosfera de recozimento” suficiente para todos os casos. No AISI/SAE 1045 ou no AISI/SAE 4140, a perda de carbono à superfície pode ser aceitável apenas quando a maquinação a remover; no AISI/SAE 52100 ou no AISI D2, a mesma sobremedida pode ser inaceitável. O arrefecimento lento não repara uma superfície alterada.

A normalização é habitualmente realizada ao ar para peças forjadas e componentes estruturais quando está prevista a remoção da carepa. Trata-se de uma decisão de produção, não de uma prova de que o ar seja neutro. A discussão de 2012 da Cambridge University Press sobre o controlo das atmosferas distingue o reaquecimento para conformação do tratamento térmico final e associa as atmosferas oxidantes não controladas à formação de carepa e à descarburização do aço. Assim, um veio normalizado destinado a utilização direta, inspeção ou endurecimento por indução pode necessitar de proteção controlada, mesmo quando um bruto forjado pode ser normalizado ao ar.

O revenido ocorre abaixo do intervalo de austenitização, mas a oxidação continua a ser possível, sobretudo durante exposições prolongadas ou ciclos repetidos de revenido. Uma atmosfera limpa e de baixa oxidação protege as dimensões e o acabamento superficial; não necessita da mesma estratégia de potencial de carbono utilizada durante a austenitização. As cores de revenido não devem ser tratadas como uma medição fiável do controlo da atmosfera, especialmente quando a espessura do óxido varia ao longo da carga.

O alívio de tensões de peças soldadas e componentes maquinados é frequentemente realizado ao ar; contudo, a exposição ao ar pode formar carepa na superfície e alterar uma junta preparada ou um componente acabado. A ISO 17663:2023 é relevante quando o tratamento está associado à soldadura, incluindo trabalhos realizados no local. Para um componente que exija uma superfície limpa, a decisão pode favorecer uma atmosfera controlada, o vácuo, uma proteção local ou um recinto protegido, em vez de um forno exposto.

Por fim, a atmosfera do forno e a proteção superficial posterior são controlos distintos. A ISO 17834:2003 aborda os revestimentos metálicos aplicados por projeção térmica para proteção contra a corrosão e a oxidação a alta temperatura até 1000 °C (1273 K), enquanto a ISO 12944-4:2017 classifica os graus de preparação de superfícies para estruturas de aço ao carbono e de baixa liga. Nenhuma destas normas substitui o controlo durante o aquecimento. A atmosfera deve primeiro produzir a superfície metalúrgica especificada; os revestimentos e a preparação pós-tratamento dizem respeito a uma fase diferente.

## Tratamento Térmico ao Ar versus Atmosferas Controladas

O ar é conveniente, mas a conveniência não o torna metalurgicamente neutro. A temperaturas elevadas, o oxigénio e o vapor de água podem reagir com o aço, enquanto o gás circundante pode alterar a atividade do carbono à superfície. O resultado pode ser a formação de carepa, descarbonetação, cementação ou uma combinação destas condições. A aceitabilidade desse resultado depende do que acontece posteriormente à superfície e da função que o componente terá em serviço.

O *U.S. Department of Commerce, National Bureau of Standards*, em *Heat Treatment and Properties of Iron and Steel* (1966), identifica diretamente os dois principais riscos superficiais: a oxidação produz carepa e a perda de carbono à superfície produz descarbonetação. A publicação também descreve o vapor de água presente nos produtos de combustão como prejudicial. A atmosfera do forno é, portanto, parte da especificação do tratamento térmico, e não apenas uma forma de preencher o espaço em redor da carga.

### Quando o aquecimento ao ar cria uma penalização superficial

O aquecimento de aço-carbono ou de aço de baixa liga ao ar forma óxidos de ferro cuja composição varia com a temperatura e com as condições locais do gás. A carepa consome metal, altera as dimensões e pode interferir na maquinagem, soldadura, revestimento ou inspeção posteriores. Pode também desprender-se durante o manuseamento e deixar uma superfície irregular. O óxido não é a única preocupação. Uma superfície exposta a um ambiente oxidante e pobre em carbono pode perder carbono por difusão do aço para o gás.

Essa perda de carbono cria uma camada descarbonetada. Num componente endurecido, a região afetada pode apresentar menor dureza e menor resistência ao desgaste do que o interior. Num componente sujeito a fadiga, a alteração da composição química superficial e as mudanças microestruturais associadas podem afetar o comportamento pretendido, mesmo quando a dureza do material base cumpre o requisito indicado no desenho. A profundidade e a gravidade dependem da composição do aço, da temperatura, do tempo de permanência, do estado da superfície, da composição do gás e da atividade do carbono estabelecida na interface.

Uma atmosfera controlada não significa “qualquer gás que não seja ar”. A ASM International, em *Furnace Atmosphere Controls in Heat Treating* (2017), divide o controlo em dois grupos principais: controlo da atmosfera do forno e controlo da atmosfera de alimentação. O primeiro diz respeito ao que existe no forno e à forma como é medido; o segundo diz respeito aos gases, geradores, equipamentos de mistura, purificação e fornecimento que criam essa condição. Ambos são importantes. Um gás corretamente selecionado pode ainda assim produzir o resultado errado se entrar humidade no sistema de alimentação, se o forno tiver fugas ou se o sistema de medição não representar a zona de carga.

Para os aços-carbono, o controlo do potencial de carbono é fundamental durante os tratamentos em que o carbono superficial deve permanecer estável. A ASM descreve relações que envolvem vapor de água, dióxido de carbono e pressão parcial de oxigénio como meios de avaliar ou controlar o potencial de carbono. Estas espécies não são indicadores intermutáveis em todos os projetos de fornos, e um valor de regulação só tem significado quando estão definidos o método de medição, a temperatura, o caudal de gás e a resposta do forno. O *Steel Heat Treatment Handbook* (CRC Press, 2014) aborda igualmente o dióxido de carbono, o amoníaco e outros gases reativos, uma vez que a química da atmosfera pode afetar tanto a resistência à oxidação como o controlo do carbono superficial.

A especificação do processo deve indicar a condição superficial aceitável. “Aquecer ao ar” é uma indicação incompleta, a menos que a especificação também permita a carepa e a química superficial resultantes, ou exija uma operação posterior para as remover ou corrigir. Um requisito de superfície brilhante, de descarbonetação máxima especificada, de manutenção da precisão dimensional ou de uma camada endurecida funcional aponta para a necessidade de um controlo mais rigoroso da atmosfera.

### Reaquecimento para conformação versus tratamento final

Um erro comum de categorização consiste em tratar todas as operações a alta temperatura como se tivessem o mesmo requisito superficial. O capítulo “Atmosphere Control for the Protection of Metals During Production Processes” da Cambridge University Press (2012) distingue o reaquecimento para processamento mecânico do tratamento térmico final. Essa distinção deve estar presente no planeamento do processo.

Durante o reaquecimento para forjamento, laminagem ou outra operação de conformação, pode tolerar-se alguma carepa, uma vez que a desincrustação, a deformação, o aparo ou a maquinagem removerão o material afetado. O objetivo principal da etapa de aquecimento é colocar a peça numa condição adequada para a deformação plástica. O ar pode, portanto, ser aceitável num processo em que a camada oxidada seja controlada e removida antes de serem estabelecidas as dimensões ou propriedades finais. Isto não significa que se possa ignorar a atmosfera: uma quantidade excessiva de carepa pode reduzir o rendimento, danificar as ferramentas, ocultar defeitos e produzir dobras superficiais ou outros problemas de fabrico.

O tratamento térmico final é diferente. A têmpera e o revenido, a normalização, o recozimento, o tratamento de solubilização ou o alívio de tensões podem estabelecer as propriedades da superfície que permanecerá em serviço. Se a peça for acabada depois do tratamento, pode haver pouco sobremetal disponível para remover a carepa ou a descarbonetação. Uma pista de rolamento, um dente de engrenagem, uma mola, um munhão de veio ou uma superfície de desgaste não podem ser avaliados pelo mesmo critério que um bilete de forjamento que será posteriormente maquinado.

A distinção também se aplica aos trabalhos relacionados com soldadura. A ISO 17663:2023 especifica requisitos de qualidade para o tratamento térmico ao ar ou em atmosferas controladas associado à soldadura e a processos conexos, principalmente para aços ferríticos e para trabalhos realizados em oficinas ou no local. O seu âmbito reforça o ponto prático: a atmosfera aceitável e o resultado superficial devem estar associados à operação, ao material, ao equipamento e aos requisitos de inspeção definidos.

Uma especificação de tratamento final deve indicar se a carepa é permitida, se é necessária uma limpeza após o tratamento e como devem ser medidas a descarbonetação ou outras alterações superficiais. Deve também definir a designação relevante do aço, como C45, 42CrMo4 ou uma qualidade especificada segundo uma determinada norma de produto, uma vez que a composição afeta a resposta à oxidação e à transferência de carbono. O controlo da atmosfera não pode corrigir um critério de aceitação ambíguo.

### Alternativas de vácuo e de gases inertes

Os fornos de vácuo reduzem a pressão parcial dos gases reativos removendo a maior parte do gás do forno antes do aquecimento. Os sistemas de gases inertes substituem o ar por gases como árgon ou azoto, desde que o gás selecionado seja compatível com o aço, a temperatura e o tratamento. Estes métodos têm o mesmo objetivo geral que uma atmosfera controlada no forno — limitar reações superficiais indesejadas —, mas não tornam impossível qualquer reação.

A qualidade do vácuo, as fugas, a humidade residual, a limpeza do forno, o carregamento e o historial de pressão afetam todos o resultado superficial. Os gases inertes podem conter oxigénio ou contaminação por água, e o azoto pode interagir com determinados sistemas de ligas ou condições superficiais. Um gás que é inerte para uma determinada qualidade e processo pode não ser inerte, no mesmo sentido prático, para outra. Também podem ser utilizadas deliberadamente adições reativas quando é necessária cementação, nitruração ou correção do potencial de carbono.

A escolha é, consequentemente, uma decisão de processo e não uma classificação dos tipos de forno. Uma atmosfera controlada pode manter o carbono superficial, limitando simultaneamente a formação de carepa; o vácuo pode reduzir a contaminação em fase gasosa e a formação de carepa; e um ambiente inerte pode constituir uma barreira adequada quando a sua pureza e química são controladas. Nenhuma destas opções deve ser descrita, sem qualificações, como eliminando todas as reações superficiais.

A proteção superficial após o tratamento térmico é um tema distinto. A ISO 17834:2003 abrange os revestimentos metálicos projetados termicamente para proteção contra a corrosão e a oxidação a alta temperatura até 1000 °C (1273 K), enquanto a ISO 12944-4:2017 classifica os graus de preparação superficial para estruturas de aço-carbono e de baixa liga e distingue superfícies não revestidas, projetadas termicamente, galvanizadas, galvanizadas por eletrodeposição, sherardizadas e pintadas. Estas normas não substituem o requisito relativo à atmosfera do tratamento térmico. O documento final do processo deve indicar se a superfície deve permanecer tal como tratada, ser limpa, ser maquinada ou receber um sistema de proteção subsequente, e deve definir a condição considerada aceitável.

## Proteção da Superfície para Além da Atmosfera do Forno

Um revestimento e uma atmosfera de forno protegem o aço em momentos diferentes da sua vida útil. A atmosfera atua enquanto o aço está suficientemente quente para que ocorram reações de oxidação, cementação ou descarburização. Um revestimento atua geralmente mais tarde, durante o armazenamento, o serviço ou a exposição a um ambiente corrosivo ou a alta temperatura. Confundir estas funções pode invalidar um tratamento térmico, mesmo quando a peça acabada aparenta estar limpa.

O U.S. Department of Commerce, National Bureau of Standards, em *Heat Treatment and Properties of Iron and Steel* (1966), identifica os dois principais riscos para a superfície durante o aquecimento: a oxidação produz carepa, enquanto a perda de carbono à superfície produz descarburização. O vapor de água presente nos produtos da combustão é descrito como prejudicial. A Cambridge University Press estabelece a mesma distinção entre processos em *Atmosphere Control for the Protection of Metals During Production Processes* (2012), separando o reaquecimento para conformação do tratamento térmico final e relacionando as atmosferas oxidantes não controladas tanto com a formação de carepa como com a descarburização do aço.

A abordagem de 2017 da ASM International ao controlo da atmosfera do forno divide o problema em «controlo da atmosfera do forno e da atmosfera de alimentação». Esta distinção é importante mesmo quando existe um revestimento de superfície separado. Um revestimento pode reduzir o contacto entre o metal e o gás do forno, mas não estabelece um potencial de carbono conhecido em toda a carga, não compensa uma fuga nem demonstra que o forno atingiu a condição química especificada. O potencial de carbono depende das reações gasosas e de relações que envolvem dióxido de carbono, vapor de água e pressão parcial de oxigénio; a ASM identifica igualmente a descarburização relacionada com a atmosfera como um tema central no tratamento térmico dos aços.

### Revestimentos metálicos obtidos por projeção térmica

Os revestimentos metálicos obtidos por projeção térmica são produzidos aquecendo uma matéria-prima metálica e projetando partículas fundidas ou parcialmente fundidas sobre um substrato preparado. A camada depositada é constituída por partículas sobrepostas, pelo que a sua porosidade, teor de óxidos, aderência, espessura e estado de selagem dependem do processo de projeção e da preparação do substrato. O alumínio, o zinco, os sistemas de zinco-alumínio e outros metais projetados podem ser selecionados de acordo com a exposição corrosiva ou térmica, mas o revestimento deve ser especificado como um sistema, e não tratado como uma barreira independente.

A ISO 17834:2003 aborda os revestimentos metálicos obtidos por projeção térmica destinados à proteção contra a corrosão e a oxidação a alta temperatura, a temperaturas até 1000 °C (1273 K). O seu âmbito é significativo, mas o valor de temperatura indicado não constitui uma garantia universal de serviço. O limite efetivo depende do metal do revestimento, do tipo de substrato, da ciclagem térmica, da atmosfera, da espessura do revestimento, da aderência e de qualquer selante ou acabamento aplicado sobre a camada projetada. Uma superfície projetada rica em zinco, por exemplo, não pode ser presumida como tendo o mesmo comportamento que um revestimento de alumínio durante uma exposição a alta temperatura apenas por ambos serem metálicos.

O momento da projeção é decisivo. Se o revestimento for aplicado antes da austenitização, o seu ligante, poros, óxidos ou interface com o substrato podem reagir durante o aquecimento. A camada pode amolecer, volatilizar-se, fissurar, formar uma liga com o aço ou transferir contaminantes para os dispositivos do forno. Mesmo um revestimento que permaneça aderente pode alterar a transferência de calor à superfície e dificultar a inspeção da carepa ou da descarburização. Por conseguinte, é normalmente tratado como um sistema de proteção posterior ao tratamento térmico, salvo se o ciclo térmico completo e a compatibilidade do revestimento tiverem sido qualificados.

Um revestimento projetado também não pode substituir o controlo da atmosfera. Durante a têmpera de um aço carbono ou de baixa liga, a condição necessária de carbono à superfície é criada ou preservada na interface aço–gás. Um revestimento que bloqueie o contacto com o gás pode impedir a troca de carbono pretendida, em vez de a controlar. Se a camada contiver óxidos reativos ou permitir o acesso local do gás através dos poros, o resultado pode variar ao longo da peça. O forno deve continuar a manter o potencial oxidante e o potencial de carbono especificados, e a superfície tratada deve continuar a ser examinada quanto à presença de carepa, descarburização e defeitos relacionados com o revestimento.

### Superfícies galvanizadas, galvanizadas por eletrodeposição, sherardizadas e pintadas

A ISO 12944-4:2017 distingue categorias de superfície e estados de preparação para estruturas de aço carbono e de baixa liga. As suas categorias incluem superfícies não revestidas, obtidas por projeção térmica, galvanizadas, galvanizadas por eletrodeposição, sherardizadas e pintadas. Estas designações descrevem diferentes condições de revestimento e requisitos de preparação; não transformam as práticas de proteção contra a corrosão num substituto da especificação do tratamento térmico.

A galvanização deposita zinco sobre o aço, normalmente por imersão em zinco fundido, enquanto a galvanização por eletrodeposição deposita um metal através de um processo eletrolítico. A sherardização produz um revestimento de difusão à base de zinco, aquecendo o aço com pó de zinco. Os sistemas de pintura dependem de uma película de revestimento orgânica ou inorgânica, frequentemente aplicada sobre um substrato preparado e primário. O seu comportamento térmico é muito diferente. Os revestimentos que contêm zinco podem fundir, evaporar-se ou reagir durante a austenitização. As camadas obtidas por eletrodeposição podem formar bolhas ou difundir-se para o substrato. As camadas sherardizadas já contêm uma estrutura de difusão ferro–zinco e podem sofrer alterações durante aquecimentos posteriores. A tinta pode decompor-se e gerar fumo, depósitos ou gases reativos.

Esta distinção é especialmente importante para os tipos de aço em que o carbono à superfície faz parte da especificação. O AISI 1045, o EN 10083-2 C45E e o AISI 4140 podem tolerar alterações superficiais diferentes, consoante a operação final seja têmpera, revenido, nitruração ou simplesmente alívio de tensões. A presença visível de uma camada de zinco ou de tinta não demonstra que o aço subjacente tenha conservado o gradiente de carbono exigido. Do mesmo modo, um aspeto limpo não prova que a oxidação tenha sido controlada. A carepa pode ser fina e aderente, enquanto a descarburização pode estender-se para além de uma superfície com aspeto metálico.

O problema inverso ocorre após o tratamento. Um componente de AISI 4140 temperado pode necessitar de um revestimento de proteção contra a corrosão, mas esse revestimento é selecionado para o ambiente de serviço e aplicado apenas depois da têmpera, do revenido, da limpeza e da inspeção. Aplicá-lo antes do ciclo do forno pode alterar a química do tratamento térmico; aplicá-lo depois não pode reparar uma camada descarburizada nem recuperar a precisão dimensional perdida.

### Preparação da superfície antes e depois do processamento térmico

Antes do processamento térmico, a superfície deve apresentar uma condição conhecida. Óleos, compostos de trefilagem, impressões digitais, sais, tinta antiga, óxidos e resíduos de granalhagem podem decompor-se ou reagir no forno. A contaminação que contém cloretos é particularmente indesejável, pois os resíduos podem promover a corrosão durante o arrefecimento ou interferir com a aderência de revestimentos posteriores. A limpeza não deve ser confundida com o controlo da descarburização: remover óleo não corrige uma camada empobrecida em carbono que já se tenha formado durante um aquecimento anterior.

A preparação depende também da sequência planeada. Uma peça destinada a cementação, carbonitruração ou nitruração pode necessitar de mascaramento ou de um tratamento superficial seletivo, mas o material de mascaramento deve ser qualificado para a temperatura e a atmosfera do forno. Uma superfície preparada para pintura segundo a ISO 12944-4:2017 não está automaticamente preparada para a austenitização. A rugosidade, a limpeza, as tensões residuais e a condição admissível dos óxidos podem ser diferentes.

Após o processamento térmico, a carepa e os resíduos são removidos através de métodos adequados ao aço e ao acabamento exigido. Podem utilizar-se granalhagem abrasiva, limpeza alcalina, decapagem, maquinagem ou retificação ligeira, mas cada método remove uma quantidade diferente de material e altera a textura da superfície. A retificação pode expor metal novo, gerando simultaneamente calor local; uma granalhagem agressiva pode arredondar arestas ou ocultar um defeito superficial sob um perfil rugoso. Se houver suspeita de descarburização, é necessário realizar um exame metalográfico, perfis de dureza ou um ensaio especificado do carbono à superfície. Aplicar um revestimento sobre a área não torna aceitável a alteração metalúrgica.

A operação final de proteção da superfície deve ocorrer depois da inspeção da condição tratada termicamente. Essa sequência conserva os elementos de prova necessários para avaliar a carepa, a oxidação, a alteração dimensional, a dureza e a descarburização. A ISO 17663:2023 reforça o princípio do controlo do processo ao especificar requisitos de qualidade para o tratamento térmico em ar ou em atmosferas controladas, principalmente para aços ferríticos e para trabalhos realizados em oficinas ou no local. Quer a proteção seja assegurada pelo controlo da atmosfera durante o aquecimento, quer por um acabamento galvanizado, projetado, obtido por eletrodeposição, sherardizado ou pintado aplicado posteriormente, cada medida deve ser atribuída à etapa em que pode efetivamente cumprir a função pretendida.

## Tratamento Térmico Associado à Soldadura e ao Fabrico

### O âmbito da ISO 17663:2023

A ISO 17663:2023 é o principal referencial de qualidade identificado na investigação disponibilizada para o tratamento térmico associado à soldadura e a processos afins. Especifica requisitos de qualidade para tratamentos realizados ao ar ou em atmosferas controladas, aplica-se principalmente a aços ferríticos e abrange trabalhos realizados tanto em oficinas como no local. O seu objeto é, portanto, mais amplo do que o funcionamento de um forno. Diz respeito à forma como uma operação de tratamento térmico é especificada, preparada, controlada, medida, registada e aceite quando essa operação afeta um componente soldado ou fabricado.

A norma não prescreve uma única atmosfera para todos os componentes soldados. Uma soldadura de um reservatório de pressão em aço carbono-manganês, uma reparação em aço estrutural de baixa liga e um fabrico em aço inoxidável ferrítico podem apresentar riscos e requisitos de processo diferentes. A atmosfera necessária depende do tipo de aço, do procedimento de soldadura, do ciclo térmico, do estado da superfície, do nível de oxidação admissível, das restrições dimensionais e do facto de a operação consistir num alívio de tensões, pré-aquecimento, tratamento térmico pós-soldadura, revenido ou outro tratamento. A ISO 17663:2023 estabelece requisitos de qualidade para o controlo dessas variáveis; não é uma tabela universal de seleção de gases.

Esta distinção é importante, porque “tratamento térmico ao ar” não significa “tratamento térmico sem controlo da atmosfera”. O ar contém oxigénio e vapor de água, e ambos podem influenciar a superfície aquecida. O manual do U.S. National Bureau of Standards, *Heat Treatment and Properties of Iron and Steel*, identifica duas consequências superficiais conhecidas: a oxidação forma carepa, enquanto a perda de carbono à superfície provoca descarburização. O manual identifica também o vapor de água presente nos produtos da combustão como prejudicial. Um componente pode atingir a temperatura nominal do forno e, ainda assim, ser sujeito a um tratamento inaceitável se a sua química superficial se alterar durante o ciclo térmico.

O capítulo de Cambridge “Atmosphere Control for the Protection of Metals During Production Processes” estabelece outra distinção útil: o reaquecimento para conformação não é a mesma operação que o tratamento térmico final. Condições oxidantes não controladas podem ser toleráveis quando existe uma margem de maquinagem posterior numa determinada etapa de fabrico, mas ser inaceitáveis numa zona de soldadura acabada ou num componente com controlo dimensional. A especificação do tratamento deve, por conseguinte, indicar o estado superficial permitido após o aquecimento, e não apenas a temperatura pretendida.

No processamento em forno, o tratamento de 2017 da ASM International sobre o controlo das atmosferas de forno identifica dois grupos principais de controlo: o controlo da atmosfera do forno e o controlo da atmosfera de alimentação. O primeiro diz respeito às condições efetivamente presentes em torno da peça; o segundo diz respeito aos gases, vapores, produtos da combustão, fugas, mistura e equipamentos de fornecimento que produzem essas condições. A indicação nominal de um gás não constitui prova de uma atmosfera controlada. As reações dos gases continuam à temperatura de tratamento, e os seus efeitos dependem da composição, do caudal, da humidade, das fugas do forno, da disposição da carga e do tempo de exposição.

O potencial de carbono ilustra este ponto. O Volume 4B do ASM Handbook aborda o controlo através de medições ou relações que envolvem vapor de água, dióxido de carbono e pressão parcial de oxigénio. O *Steel Heat Treatment Handbook* também considera o dióxido de carbono, a amónia e outros gases reativos como fatores que contribuem para a resistência à oxidação e para o controlo do carbono superficial. Estas relações são relevantes quando um tratamento tem de preservar ou ajustar o carbono superficial, mas não transformam o tratamento térmico de todos os componentes soldados numa operação de cementação ou numa operação em atmosfera neutra. A atmosfera deve servir o resultado metalúrgico especificado.

### Tratamento térmico em oficina e no local

O tratamento em oficina permite habitualmente utilizar um forno, posições fixas para termopares, procedimentos de carregamento estabelecidos e controlos repetíveis dos gases ou da combustão. Estas vantagens reduzem a variação, mas não eliminam a necessidade de demonstrar que o componente efetivamente atingiu o ciclo térmico exigido. Um conjunto soldado de grandes dimensões pode incluir secções espessas e finas, acessórios, restrições e diferentes perdas de calor. A temperatura do ar no forno, por si só, pode não representar a temperatura da soldadura, da zona afetada pelo calor ou da secção relevante mais fria.

O tratamento térmico no local apresenta o mesmo problema de qualidade, mas com menos recursos fixos. Aquecedores elétricos de resistência locais, equipamentos de indução, queimadores a gás, mantas cerâmicas ou outros sistemas de aquecimento podem ser colocados em torno de uma soldadura ou de uma zona de reparação. A faixa aquecida, os gradientes de temperatura, o isolamento, o recinto e o dissipador térmico criado pela estrutura de base passam então a fazer parte do processo. Um tratamento local pode ser metalurgicamente adequado, mas apenas se a região especificada e o ciclo térmico forem estabelecidos e mantidos.

O recinto e a proteção requerem cuidados especiais. O isolamento pode reduzir as perdas de calor, mas as folgas podem admitir ar e provocar oxidação local. Um sistema de purga ou de proteção pode reduzir o contacto com gases oxidantes, mas a sua eficácia depende da geometria do recinto, da estanquidade, do caudal e da monitorização. A superfície deve também estar suficientemente limpa para que óleo, humidade, tinta, carepa ou resíduos de fabrico não introduzam reações adicionais nem ocultem danos. A preparação da superfície não é o mesmo que o controlo da atmosfera: a ISO 12944-4:2017 define graus de preparação para estruturas de aço-carbono e de baixa liga e distingue superfícies não revestidas, pulverizadas termicamente, galvanizadas, galvanizadas por deposição eletrolítica, sherardizadas e pintadas. A ISO 17834:2003, por sua vez, aborda revestimentos metálicos aplicados por pulverização térmica para proteção contra a corrosão e a oxidação a alta temperatura até 1000 °C (1273 K). Estas normas ajudam a descrever as condições de proteção superficial, mas nenhuma delas substitui os requisitos de tratamento térmico da ISO 17663:2023.

Para uma reparação soldada realizada no local, o procedimento deve identificar a colocação dos aquecedores, a disposição do isolamento, o método de confinamento ou proteção, o estado superficial permitido, as velocidades de aquecimento e arrefecimento, quando especificadas, e as localizações dos sensores de temperatura. Deve também definir a forma de tratar interrupções, falhas de energia, chuva, vento ou uma excursão inesperada da temperatura. Um desenho que assinale apenas a linha central da soldadura é insuficiente quando o efeito térmico exigido se estende através do metal de soldadura, das zonas afetadas pelo calor e do material de base adjacente.

### Atmosfera, uniformidade da temperatura e registos

A atmosfera, a uniformidade da temperatura e os registos constituem um único sistema de qualidade interligado. Separá-los cria uma falsa sensação de segurança. Um registo gráfico do forno pode mostrar que um termopar atingiu o valor de referência, enquanto uma fuga oxidante, uma circulação deficiente ou uma carga excessivamente compacta expôs parte do componente a uma condição diferente. Inversamente, um fornecimento controlado de gás não pode compensar uma colocação inadequada dos sensores ou um aquecedor local que deixe o lado oposto abaixo da temperatura exigida.

A medição da temperatura deve representar o componente e a zona de tratamento especificada. O tipo de sensor, o método de fixação, a identificação, o estado de calibração, a localização e o intervalo de registo devem ser definidos antes do início do aquecimento. Nos trabalhos locais, podem ser necessários sensores adicionais junto dos pés das soldaduras, das transições de espessura, dos acessórios, das restrições e das zonas que se preveja perderem calor rapidamente. A uniformidade não se presume com base na simetria dos aquecedores. É demonstrada através das temperaturas medidas relevantes para o procedimento.

Os registos devem estabelecer a ligação entre o componente, a identificação da soldadura ou reparação, o equipamento, a revisão do procedimento, o operador, a disposição da atmosfera ou da proteção, as localizações dos sensores, as informações de calibração, o ciclo de aquecimento, o período de manutenção, o ciclo de arrefecimento, as interrupções e os desvios. Se for necessário controlar a atmosfera, os registos podem também ter de incluir verificações do sistema de gás ou de combustão, informações sobre a purga ou o caudal, o estado do recinto e evidências de que a superfície foi inspecionada após o tratamento. O registo deve permitir determinar o que aconteceu, e não apenas confirmar que o forno foi ligado.

A inspeção da superfície continua a ser necessária, porque um registo válido da temperatura não prova que a oxidação ou a descarburização tenham estado ausentes. A carepa, a descoloração, a rugosidade superficial e a perda de carbono podem afetar a maquinagem subsequente, a soldadura, o desempenho à fadiga, o ajuste dimensional ou a proteção contra a corrosão. O método de inspeção e os critérios de aceitação devem seguir a especificação do componente e o plano de qualidade aplicável.

A ISO 17663:2023 é, assim, mais útil quando lida como uma norma de controlo de processos, e não como uma instrução para selecionar um gás específico. Estabelece a ligação entre a preparação, o equipamento de aquecimento, a atmosfera ou proteção, a medição da temperatura, a uniformidade, o estado superficial, a competência do pessoal e os registos. É essa ligação que transforma o tratamento térmico em oficina e no local numa operação metalúrgica demonstrável, em vez de uma simples afirmação de temperatura.

## Defeitos Causados por um Controlo Deficiente da Atmosfera

Os defeitos da atmosfera são defeitos do processo, não meras manchas cosméticas. A oxidação remove metal da superfície, a transferência de carbono altera a composição do aço e os depósitos podem interferir com o aquecimento, a têmpera, a inspeção ou o revestimento posterior. O manual do *U.S. National Bureau of Standards*, *Heat Treatment and Properties of Iron and Steel* (1966), identifica os dois principais riscos superficiais como a carepa resultante da oxidação e a descarburização resultante da perda de carbono; adverte também que o vapor de água presente nos produtos da combustão é prejudicial. A Cambridge University Press distingue igualmente o reaquecimento para conformação do tratamento térmico final: uma atmosfera aceitável para uma operação de forjamento pode ser inadequada quando é necessário manter o teor de carbono superficial final e a precisão dimensional.

O *ASM Handbook Volume 4B* (2017), da ASM International, distingue o controlo da atmosfera do forno do controlo da atmosfera de alimentação. Ambos são importantes. Um forno pode ter uma receita gasosa adequada e, ainda assim, produzir peças defeituosas devido a fugas, circulação deficiente, falha de um sensor, entrada obstruída ou contaminação introduzida com a carga.

### Carepa, picagem e alteração dimensional

A carepa é o produto visível da oxidação. Dependendo da temperatura, do tempo de exposição, da composição do aço e da química dos gases, o óxido pode apresentar-se preto, azul, cinzento, vermelho ou em camadas. Uma película fina e aderente não é equivalente a uma camada espessa e escamosa de óxido que se desprende durante o manuseamento ou a têmpera. Esta última pode expor metal fresco e deixar picadas, enquanto o óxido solto pode ficar retido nos dispositivos de fixação ou contaminar o meio de têmpera.

Uma atmosfera oxidante é uma causa óbvia, mas a carepa visível não identifica, por si só, a falha. As fugas do forno podem permitir a entrada de ar através das portas, vedantes, fissuras ou flutuações de pressão. A humidade excessiva pode aumentar o potencial oxidante do gás do forno, sobretudo quando o equilíbrio gasoso já está incorreto. Os produtos da combustão que contêm vapor de água são especificamente identificados como prejudiciais no manual do *National Bureau of Standards* de 1966. Um tempo de permanência excessivo pode produzir uma quantidade substancial de carepa, mesmo quando a atmosfera esteve correta durante parte do ciclo. Uma circulação deficiente pode criar zonas oxidantes locais, fazendo com que um lado da carga fique fortemente oxidado enquanto as superfícies protegidas permanecem relativamente brilhantes.

A picagem pode resultar de oxidação localizada, desprendimento de carepa, contaminantes condensáveis ou depósitos que criam pequenas células eletroquímicas ou químicas durante o arrefecimento. O sal, o óleo, a sujidade da oficina e os resíduos de cargas anteriores podem alterar a reação superficial local. As picadas podem ser pouco profundas e dispersas, ou nitidamente definidas quando um depósito reagiu com o aço. A rugosidade superficial após a remoção da carepa não prova que a atmosfera do forno tenha sido a única causa; marcas de maquinação anteriores, carepa de forjamento, granalhagem e limpeza mecânica podem produzir aspetos semelhantes.

A oxidação também altera as dimensões. O metal consumido na superfície reduz o diâmetro medido, a espessura dos bordos ou as dimensões das roscas e das faces de precisão. A carepa comprimida entre superfícies conjugadas pode produzir o efeito aparente oposto até ser removida. Uma oxidação desigual pode alterar a circularidade e a planicidade, enquanto os gradientes térmicos e as tensões de transformação podem causar deformação independentemente da oxidação. Assim, uma superfície brilhante não garante estabilidade dimensional, e uma superfície escura não determina a quantidade de metal perdida.

### Camadas descarburizadas e perda de dureza

A descarburização ocorre quando o carbono abandona a superfície do aço durante o aquecimento. A camada afetada pode ser ferrítica, parcialmente descarburizada ou apresentar uma graduação composicional, dependendo da temperatura, do tempo, do tipo de aço e do potencial de carbono da atmosfera. Num tipo hipoeutectoide como o AISI 1045, a perda de carbono junto à superfície pode reduzir a fração de perlita após o arrefecimento. Num componente de AISI 4140 temperado, pode produzir uma zona superficial mais macia, mesmo quando o núcleo atinge a dureza martensítica especificada.

O defeito é frequentemente detetado sob a forma de uma camada superficial macia, baixa resistência ao desgaste, desempenho reduzido à fadiga ou uma camada endurecida com uma profundidade inesperadamente pequena. A superfície pode parecer limpa, porque a descarburização pode ocorrer sem formação intensa de carepa. Inversamente, uma ligeira formação de carepa e uma dureza baixa podem ocorrer em conjunto, mas uma não prova a outra. Uma fuga, humidade excessiva, uma regulação incorreta do potencial de carbono, uma quantidade insuficiente de gás enriquecedor, uma circulação deficiente ou uma exposição demasiado longa podem produzir perda de carbono. A temperatura do forno e o tempo de permanência podem também estar corretos, enquanto a composição local do gás junto à carga não o está.

O potencial de carbono não é um simples comando independente da química dos gases. A ASM International descreve o controlo através de medições ou relações que envolvem vapor de água, dióxido de carbono e pressão parcial de oxigénio. O equilíbrio das reações relevantes determina se a atmosfera oxida o aço, remove carbono ou transfere carbono para o aço. O *Steel Heat Treatment Handbook* (CRC Press, 2014) aborda o dióxido de carbono, o amoníaco e outros gases reativos, porque estes constituintes afetam tanto a resistência à oxidação como o controlo do carbono superficial.

Por conseguinte, o ensaio de dureza deve ser realizado sob a forma de um perfil desde a superfície até ao núcleo, e não como uma única leitura numa face facilmente acessível. Um aumento progressivo da dureza com a profundidade apoia um diagnóstico de gradiente de carbono, mas a dureza, por si só, não consegue identificar a falha gasosa exata. O exame metalográfico pode revelar ferrite à superfície, alterações na perlita, alterações nos carbonetos ou uma interface entre o material afetado e o não afetado. A análise do gradiente de carbono, como uma avaliação química da superfície ao núcleo, fornece uma confirmação mais sólida quando as especificações exigem um limite definido de descarburização.

### Incorporação de carbono, fuligem e química superficial anómala

O defeito oposto é a incorporação de carbono. Uma superfície de aço exposta a uma atmosfera excessivamente carburante pode ganhar carbono, produzindo uma camada com elevado teor de carbono que pode endurecer mais do que o previsto, formar austenite retida ou desenvolver constituintes frágeis ou suscetíveis à fissuração após a têmpera. O efeito é especialmente importante quando se pretende que um tipo de aço de baixo ou médio teor de carbono mantenha uma composição superficial controlada, em vez de receber um tratamento de cementação deliberado.

A fuligem é um aviso visível, não um diagnóstico completo. Pode resultar de uma atividade excessiva dos hidrocarbonetos, de uma dissociação deficiente dos gases, de um equilíbrio gasoso incorreto, de uma circulação inadequada, de regiões frias do forno ou de contaminação proveniente de óleos e resíduos orgânicos. Um depósito preto pode ser carbono, mas também pode conter produtos condensados do processo ou óxido misturado com material carbonáceo. Os depósitos podem ocultar a carepa, impedir uma transferência uniforme de calor, interferir com a medição da temperatura e transferir-se para outras peças.

A química superficial anómala não se limita ao carbono. As atmosferas que contêm amoníaco podem introduzir azoto; o dióxido de carbono e o vapor de água podem alterar as reações de oxidação e de transferência de carbono; a entrada de ar pode adicionar oxigénio e azoto. O resultado pode ser uma superfície com a cor esperada, mas com a composição errada. Uma camada cinzenta, rugosa ou invulgarmente dura pode refletir incorporação de carbono, nitridação, oxidação ou um composto depositado, e não uma única condição da atmosfera.

O diagnóstico deve relacionar os indícios observados na peça com o registo do forno. Registe a temperatura do forno, o ponto de orvalho ou a indicação de humidade, quando aplicável, as leituras do potencial de oxigénio ou do potencial de carbono, o caudal de gás, a pressão, os alarmes, as aberturas das portas, a posição da carga e os eventos de manutenção. Compare os locais afetados e não afetados. Examine metalograficamente as secções transversais, realize perfis de dureza e solicite medições de gradientes de carbono ou de outros elementos químicos quando houver dúvidas quanto à química superficial. A ISO 17663:2023 estabelece requisitos de qualidade para o tratamento térmico em ar ou em atmosferas controladas, principalmente para aços ferríticos e para trabalhos realizados em oficinas ou no local; a sua ênfase apoia o tratamento dos registos da atmosfera e da verificação como evidência da qualidade.

O aspeto da superfície continua a ser útil para uma triagem. Não constitui prova. A mesma carepa, picada, configuração de rugosidade, camada macia ou depósito preto pode resultar de várias falhas, pelo que libertar ou rejeitar um lote tratado termicamente apenas com base numa avaliação visual constitui uma prática inadequada.

## Verificação, Aceitação e Documentação

Os registos de temperatura, por si só, não podem estabelecer o estado da atmosfera nem a aceitação da superfície final. Strong evidence

Um resultado de tratamento térmico só é defensável quando o registo relaciona o material, o ciclo térmico, a atmosfera e as evidências obtidas na peça acabada. Um gráfico do forno, por si só, não prova que o aço recebeu o tratamento pretendido. O registo deve identificar o tipo de aço e a norma de material aplicável, o número de corrida ou de vazamento, a identificação da carga, o desenho do componente ou a ordem de trabalho, a identificação do forno, a disposição da carga, a especificação do ciclo, a condição da atmosfera ou do vácuo, as variáveis do processo medidas, os alarmes, os desvios e os resultados da inspeção. Se faltar uma ligação, uma análise posterior poderá mostrar o que o forno fez, sem demonstrar qual foi o produto exposto ao tratamento ou se esse produto cumpriu os seus requisitos. \[3\] \[3\] **Welding — Quality requirements for heat treatment in connection with welding and allied processes**. International Organization for Standardization. ISO Standard, 2023. ISO 17663:2023

A ISO 17663:2023 fornece o principal quadro de qualidade para o tratamento térmico realizado em ar ou em atmosferas controladas no âmbito da soldadura e de processos conexos. O seu âmbito aplica-se principalmente a aços ferríticos e abrange trabalhos realizados em oficinas e no local. Define requisitos de qualidade, mas não estabelece um único limite universal de aceitação para dureza, descarburização, dimensões ou metalografia aplicável a todos os aços e processos. Esses limites devem provir da norma de produto aplicável, do desenho, do procedimento de soldadura, do procedimento de tratamento térmico, do contrato ou da especificação de engenharia.

### Qualificação do processo e verificações de rotina

A qualificação do processo estabelece que uma combinação definida de grau do aço, dimensão da secção, padrão de carga, forno, ciclo e atmosfera pode produzir a condição requerida. O registo de qualificação deve indicar o equipamento utilizado, a disposição dos termopares, a identificação do controlador e do registador, o sistema de geração da atmosfera ou de vácuo, o estado de calibração e os métodos de inspeção aplicados à amostra de qualificação. Deve também explicar de que forma a amostra representa as peças de produção. Um provete fino pode demonstrar a uniformidade da temperatura, mas não representar a distância de difusão do carbono ou o atraso térmico de um componente espesso.

A qualificação deve considerar a atmosfera como um meio de processo reativo, e não como um gás protetor não especificado. A ASM International identificou, em 2017, o “controlo do forno e da atmosfera de alimentação” como os dois principais grupos de controlo. O grupo do forno inclui a vedação, a circulação, a mistura, a exaustão, as fugas e a distribuição; o grupo de alimentação inclui os gases, vapores, geradores, equipamentos de purificação, controlo do caudal e medições relacionadas. Ambos podem alterar o resultado. Um forno corretamente regulado pode ainda produzir carepa ou descarbonetação se o gás fornecido contiver vapor de água em excesso ou se houver deriva num gerador.

Uma indicação do potencial de carbono não é autovalidante e deve ser apoiada por registos de medição e calibração. Limited evidence

O registo do processo deve identificar a variável de controlo relevante para o aço e para o tratamento. Dependendo do processo, esta pode incluir a temperatura, o tempo, a pressão do forno, o nível de vácuo, o caudal de gás, o ponto de orvalho, a pressão parcial de oxigénio, o dióxido de carbono ou um potencial de carbono calculado. O ASM Handbook Volume 4B descreve o controlo do potencial de carbono através de medições ou relações que envolvem vapor de água, dióxido de carbono e pressão parcial de oxigénio. Um valor de potencial de carbono apresentado no visor requer, por conseguinte, informação de suporte sobre medições e calibração; não deve ser tratado como uma validação autónoma.

As verificações de rotina confirmam que o processo qualificado continua sob controlo. Podem incluir a verificação dos instrumentos, verificações dos termopares, testes de estanquidade, verificações dos sensores da atmosfera, verificações dos geradores, confirmação dos caudais de gás e análise dos registos do registador antes da libertação. A frequência e os critérios de aceitação devem ser definidos pelo procedimento e pelo sistema de qualidade aplicável. Não deve ser substituído um requisito do projeto por qualquer valor genérico.

A monitorização do processo e a verificação do produto respondem a perguntas diferentes. A monitorização procura determinar se o forno seguiu o histórico prescrito de temperatura e atmosfera. A verificação do produto procura determinar se o aço efetivamente desenvolveu a dureza, a estrutura, a composição química à superfície, as dimensões e a condição requeridas. Um gráfico conforme não pode compensar um perfil de dureza reprovado, uma carepa excessiva ou um gradiente de carbono fora do limite especificado. Inversamente, uma leitura de dureza aceitável não prova que a atmosfera tenha sido corretamente controlada durante todo o ciclo.

Qualquer alarme, interrupção, falha de sensor, alteração de gás, erro de carregamento, perda de energia, evento de arrefecimento inesperado ou desvio do ciclo aprovado requer uma decisão documentada. Essa decisão pode envolver um novo processamento, exames adicionais, análise pela engenharia ou rejeição, mas o registo deve identificar quem avaliou o evento e que evidências fundamentaram a decisão. Uma correção silenciosa não é rastreabilidade.

### Exame superficial e subsuperficial

O exame superficial começa com a observação direta, sob condições definidas de iluminação e limpeza. O examinador deve registar carepa, descoloração, picadas, fuligem, depósitos, zonas carburizadas ou descarbonetadas, fissuras, deformação e danos provocados pelo manuseamento. A oxidação produz carepa, enquanto a perda de carbono à superfície produz descarbonetação. O manual do U.S. National Bureau of Standards, publicado em 1966, identifica especificamente o vapor de água nos produtos de combustão como prejudicial à proteção da superfície do aço. A Cambridge University Press afirma igualmente, na sua abordagem de 2012 ao controlo da atmosfera, que atmosferas oxidantes não controladas podem provocar formação de carepa e, nos aços, descarbonetação.

A inspeção visual, por si só, não pode estabelecer a profundidade ou a gravidade da perda de carbono. Ensaios de dureza desde a superfície em direção ao núcleo podem revelar uma camada descarbonetada amaciada ou uma região carburizada anormalmente dura, mas a dureza depende do grau do aço, da microestrutura, do método de ensaio, do espaçamento e da geometria local. O ensaio deve, por isso, estar associado a um plano definido de corte e ser interpretado à luz do requisito aplicável, e não de um perfil universal presumido.

A metalografia fornece evidências diferentes. Uma secção transversal polida e atacada pode revelar ferrite, perlite, bainite, martensite, carbonetos, penetração da oxidação, crescimento do grão, fissuração de têmpera e a fronteira entre o material superficial alterado e o núcleo não afetado. Pode também mostrar se uma alteração da dureza corresponde a perda de carbono ou, pelo contrário, a um efeito de transformação ou de revenido. O relatório deve identificar a localização e a orientação da amostra, o método de preparação, o reagente de ataque, a ampliação e as observações. As fotografias representativas só são úteis quando a sua escala, localização e relação com o critério de aceitação estão registadas.

A avaliação do gradiente de carbono é especialmente importante quando o carbono à superfície controla o desgaste, a fadiga ou o comportamento de transformação. Pode utilizar-se análise química, determinação do perfil de microdureza, exame metalográfico ou outro método aprovado, dependendo da especificação. O relatório deve indicar o método, a referência da superfície, os incrementos de profundidade, a incerteza de medição quando exigida e o resultado. Uma única análise do carbono global não pode estabelecer um gradiente superficial. Do mesmo modo, um resultado de dureza no núcleo não prova que a superfície tenha mantido o potencial de carbono pretendido.

As verificações dimensionais completam as evidências relativas ao produto. Devem medir-se as características identificadas como sensíveis ao aquecimento, à têmpera ou ao alívio de tensões, incluindo a planeza, o batimento, a concentricidade, o comprimento, a dimensão do furo e a deformação, quando aplicável. As medições requerem um instrumento conhecido, o estado de calibração, um sistema de referências e a indicação da fase da inspeção. O exame não destrutivo pode complementar estas verificações relativamente a fissuras ou descontinuidades próximas da superfície, enquanto o exame subsuperficial pode exigir corte, ensaio ultrassónico, radiografia ou outro método especificado. Cada técnica possui uma capacidade de deteção diferente.

As normas relativas a revestimentos não devem ser confundidas com a aceitação da atmosfera. A ISO 17834:2003 diz respeito a revestimentos metálicos projetados termicamente para proteção contra a corrosão e a oxidação a alta temperatura até 1000 °C (1273 K). A ISO 12944-4:2017 define graus de preparação da superfície para estruturas de aço ao carbono e de baixa liga e distingue superfícies não revestidas, projetadas termicamente, galvanizadas, galvanizadas por electrodeposição, sherardizadas e pintadas. Nenhuma das duas normas fornece um limite geral de aceitação para a descarbonetação no forno de aço tratado termicamente.

### Rastreabilidade das condições da atmosfera

A rastreabilidade da atmosfera começa pela identificação da via de geração da atmosfera: ar, atmosfera controlada identificada, gás de gerador endotérmico ou exotérmico, mistura à base de azoto, vácuo ou outra condição especificada. O registo deve relacionar essa condição com o forno, a carga, a data e a hora, a fonte de gás ou o gerador, o instrumento de controlo, a identificação do sensor e os valores registados. No tratamento em vácuo, devem registar-se, quando relevantes para o procedimento, o histórico da pressão, o estado do ensaio de fugas, a condição da bomba e qualquer gás de enchimento posterior.

Os dados com marca temporal são essenciais. Um gráfico final que apresente apenas a temperatura média e uma leitura da atmosfera pode ocultar uma fuga transitória, um desvio do ponto de orvalho, uma deriva do potencial de carbono ou uma perda de vácuo durante uma parte crítica do ciclo. Os registos devem conservar o intervalo de medição, os eventos de alarme, os valores de referência, os valores reais, as substituições de sensores, o estado de calibração e a resposta do operador. Se um valor for calculado em vez de medido diretamente, o método de cálculo e as medições de entrada devem permanecer disponíveis.

Os registos do material e da atmosfera devem ser cruzados, em vez de serem arquivados separadamente sem ligação entre si. O número da carga deve constar do registo do ciclo do forno, o número do ciclo deve constar do relatório de inspeção e o relatório de inspeção deve identificar os locais dos componentes examinados. Os registos digitais necessitam de revisão controlada, controlo de acesso, retenção e proteção contra alterações não registadas. Os gráficos em papel necessitam de identificação legível e de um método documentado para efetuar correções.

Esta cadeia permite que um auditor ou engenheiro reconstrua o sucedido: que aço entrou em que forno, sob que ciclo e atmosfera, o que os instrumentos detetaram, que desvios ocorreram e se a superfície, a estrutura subsuperficial, as dimensões e a dureza resultantes cumpriram os requisitos aplicáveis. Essa é a diferença entre evidência do funcionamento do forno e evidência de que o aço tratado termicamente é aceitável.

## Um quadro prático de decisão para a proteção da superfície do aço

A proteção da superfície começa por uma especificação metalúrgica, não pelo nome de um gás. O azoto, o árgon, o gás endotérmico, o gás exotérmico, as misturas contendo hidrogénio e o vácuo podem produzir resultados muito diferentes quando variam a temperatura, o tempo de permanência, as fugas, o ponto de orvalho, o potencial de carbono e a composição do aço. A atmosfera do forno faz, portanto, parte do processo de tratamento térmico. Determina se a superfície permanece quimicamente próxima do aço de partida, ganha carbono ou azoto, perde carbono ou desenvolve óxido que terá de ser posteriormente removido.

O manual do *U.S. National Bureau of Standards*, *Heat Treatment and Properties of Iron and Steel* (1966), identifica diretamente os dois principais riscos superficiais: a oxidação produz carepa, enquanto a perda de carbono produz descarbonetação. Identifica também o vapor de água presente nos produtos da combustão como prejudicial. A questão prática não é saber se uma atmosfera parece inerte. É saber se a atmosfera, na superfície do aço e durante todo o ciclo térmico, produz a condição metalúrgica especificada.

### Definir a superfície final necessária

#### Especificar a superfície final

Definir requisitos mensuráveis, como limites de carepa visível, profundidade máxima de descarbonetação, concentração de carbono superficial, dureza superficial ou sobremetal de maquinagem, antes de selecionar a atmosfera.

A primeira decisão consiste em determinar se a carepa e a alteração do teor de carbono são admissíveis. Uma operação de reaquecimento antes da forja, da laminagem ou do recalque pode tolerar uma camada superficial que será removida por deformação ou maquinagem. A austenitização de uma ferramenta acabada, de um componente de rolamento, de uma engrenagem, de uma mola ou de uma superfície de desgaste é diferente: a descarbonetação pode reduzir a dureza e a resistência à fadiga, mesmo quando a peça apresenta um aspeto visual aceitável após a têmpera.

Registe o requisito da superfície em termos mensuráveis. Este pode incluir ausência de carepa visível, uma profundidade máxima de descarbonetação, uma concentração de carbono superficial especificada, um intervalo de dureza à superfície e abaixo desta, ou uma margem para retificação posterior. “Brilhante” não é uma especificação técnica suficiente. Nem “não oxidante”, porque uma atmosfera pode impedir a formação de carepa visível e, ainda assim, alterar o teor de carbono à superfície.

A designação do aço deve ser registada exatamente, incluindo a norma aplicável. Um tratamento para [1.3505](/pt/materiais/número-do-material/1.3505 " — composição, equivalências e normas") (100Cr6) não pode ser especificado com os mesmos pressupostos que um tratamento para C45, 42CrMo4, AISI 52100 ou um aço inoxidável austenítico. A atividade do carbono, os elementos de liga, o estado superficial anterior e a transformação de fase pretendida influenciam todos a atmosfera aceitável. Nos [aços de cementação](/pt/categorias/aços-de-cementação "aços de cementação"), o potencial de carbono é uma variável do processo. Nos aços ao carbono e de baixa liga, uma perda excessiva de carbono pode ser tão prejudicial como a oxidação.

Separe a superfície final de um revestimento ou pós-tratamento. A ISO 17834:2003 aborda os revestimentos metálicos projetados termicamente para proteção contra a corrosão e a oxidação a alta temperatura até 1000 °C (1273 K). A ISO 12944-4:2017 aborda os graus de preparação da superfície de estruturas de aço ao carbono e de baixa liga e distingue superfícies não revestidas, projetadas termicamente, galvanizadas, eletrodepositadas, sherardizadas e pintadas. Essas normas não substituem o controlo da atmosfera durante a têmpera, o recozimento, a normalização ou o reaquecimento para forjamento.

### Adequar o risco à atmosfera e à capacidade do forno

Classifique a operação antes de selecionar a atmosfera. A abordagem da Cambridge University Press, de 2012, ao controlo da atmosfera distingue o reaquecimento para conformação do tratamento térmico final. Essa distinção deve determinar a tolerância à carepa e à alteração do teor de carbono. O reaquecimento de material cuja camada exterior será removida pode aceitar uma estratégia atmosférica diferente da do tratamento térmico final de uma peça com dimensões acabadas.

Em seguida, identifique o risco dominante. A oxidação exige o controlo das espécies que contêm oxigénio, das condições de combustão, das fugas e do tempo de permanência. A descarbonetação exige o controlo do potencial químico à superfície do aço, e não simplesmente um baixo teor de oxigénio. A *ASM Handbook, Volume 4B* da ASM International (2017) identifica o “controlo da atmosfera do forno e da atmosfera de alimentação” como os dois principais grupos de controlo. Ambos são importantes: um gás corretamente misturado pode deixar de cumprir a sua função se uma flange com fugas, um gerador húmido, uma linha contaminada, um percurso de escoamento obstruído ou uma peça mal posicionada alterar o ambiente do forno.

O potencial de carbono pode ser estabelecido através de medição direta ou de relações que envolvam vapor de água, dióxido de carbono e pressão parcial de oxigénio. O método de controlo selecionado deve ser adequado ao forno. Uma leitura de uma sonda não representa automaticamente o resultado na zona de trabalho se a sonda estiver afastada, protegida da carga, contaminada ou exposta a um padrão de escoamento diferente. As atmosferas que contêm dióxido de carbono, amoníaco, hidrogénio e outros gases reativos exigem atenção às suas reações específicas; o *Steel Heat Treatment Handbook* (CRC Press, 2014) aborda estes gases no contexto da resistência à oxidação e do controlo do carbono à superfície.

A capacidade do forno estabelece o limite da especificação. Verifique se a instalação consegue controlar a uniformidade da temperatura, o caudal da atmosfera, a pressão, o ponto de orvalho, o potencial de oxigénio, o potencial de carbono e a exaustão. Verifique se o gerador consegue manter a composição durante o arranque e as alterações de carga. Confirme que as vedações, as portas, as retortas, os dispositivos de fixação e os percursos de transferência não introduzem ar ou humidade. Um forno que consegue apresentar um valor de gás, mas não consegue mantê-lo junto da carga, não consegue validar o tratamento.

Para estruturas soldadas e aços ferríticos, a ISO 17663:2023 estabelece requisitos de qualidade para o tratamento térmico ao ar ou em atmosferas controladas, abrangendo trabalhos realizados em oficinas e no local. É útil quando o tratamento térmico faz parte de um processo de soldadura ou de um processo afim, mas os requisitos aplicáveis relativos ao material, ao procedimento, à inspeção e à aceitação continuam a ter de ser especificados para o componente.

### Investigar sistematicamente os desvios

Um defeito superficial deve primeiro ser cartografado, e não explicado. A presença de carepa ou de descarbonetação é uniforme em toda a carga ou está localizada numa face, aresta, posição da estrutura de suporte ou zona do forno? O defeito acompanha a posição da carga de lote para lote? Surge apenas após uma permanência prolongada, durante o arranque, depois da abertura da porta ou durante a transferência para a têmpera? Estas observações permitem distinguir um problema químico de um problema de circulação, vedação, temperatura ou manuseamento.

Compare o mapa do defeito com medições independentes. A atmosfera medida representa a zona de trabalho ou apenas a linha de alimentação, a conduta de retorno ou a parede do forno? O analisador de gases, a sonda de oxigénio, o instrumento de ponto de orvalho e o controlador do potencial de carbono estão calibrados e respondem à velocidade necessária? A sonda está limpa e corretamente posicionada? Um corpo de prova de referência, uma lâmina, uma folha ou uma amostra metalográfica confirmou a indicação do instrumento?

Verifique também se o forno atingiu a temperatura antes de a atmosfera estabilizar, se a carga obstruiu o escoamento, se um gerador alterou a composição perante um aumento da procura e se entrou água através dos produtos da combustão, de fugas, de resíduos de limpeza ou de uma carga húmida. Inspecione a morfologia da carepa e meça a camada alterada por metalografia, por um perfil de dureza, por microdureza ou por análise do carbono, conforme adequado. Uma superfície escura, por si só, não comprova a descarbonetação; uma superfície brilhante, por si só, não prova a retenção de carbono.

#### Fluxo de trabalho da investigação

1. **Identificar** Registar a designação do aço, o tamanho da secção, o estado anterior e a operação.
2. **Definir** Estabelecer limites mensuráveis para a carepa e a alteração do carbono.
3. **Classificar** Decidir se o ciclo corresponde a um reaquecimento para transformação ou a um tratamento térmico final.
4. **Selecionar** Escolher o controlo da oxidação e, quando necessário, do potencial de carbono.
5. **Verificar** Verificar o fornecimento de gás, o gerador, as vedações, o caudal, a pressão, os sensores, a calibração e a representatividade da zona de trabalho.
6. **Inspecionar** Especificar verificações visuais, dimensionais, de dureza, metalográficas ou de química superficial.
7. **Documentar** Registar desvios, posição da carga, ciclo, atmosfera, alarmes, tempo de transferência e material afetado.

Um procedimento de trabalho utilizável é:

1\. Identificar a designação do aço, a dimensão da secção, o estado anterior e a operação. 2. Definir se a carepa e a alteração do teor de carbono são admissíveis e estabelecer limites mensuráveis. 3. Determinar se o ciclo corresponde a um reaquecimento para conformação ou a um tratamento térmico final. 4. Selecionar a estratégia de controlo da atmosfera, incluindo o controlo da oxidação e, quando necessário, o controlo do potencial de carbono. 5. Verificar o fornecimento de gás, o desempenho do gerador, as vedações, o escoamento, a pressão, os sensores, a calibração e a representatividade da zona de trabalho. 6. Especificar a inspeção: avaliação visual da carepa, verificação dimensional, dureza, metalografia, medição da profundidade de descarbonetação ou análise química da superfície. 7. Documentar todos os desvios, incluindo a posição da carga, o registo do ciclo, o registo da atmosfera, o estado dos alarmes, o tempo de transferência e o material afetado.

Esta sequência trata a proteção da superfície como um resultado metalúrgico controlado. O nome do gás é apenas um dos fatores de entrada.

## Referências

1. \[1\] Cambridge University Press. Atmosphere Control for the Protection of Metals During Production Processes. Cambridge University Press chapter, 2012. [](/pt/wiki/tratamento-t%C3%A9rmico/atmosferas-de-tratamento-t%C3%A9rmico-do-a%C3%A7o-e-prote%C3%A7%C3%A3o-da-superf%C3%ADcie#wiki-cite-ref-1) Cambridge University Press publication
2. \[2\] ASM International. ASM Handbook, Volume 4B: Heat Treating of Ferrous Alloys. ASM Handbook, 2017. [](/pt/wiki/tratamento-t%C3%A9rmico/atmosferas-de-tratamento-t%C3%A9rmico-do-a%C3%A7o-e-prote%C3%A7%C3%A3o-da-superf%C3%ADcie#wiki-cite-ref-2) ASM International, ASM Handbook Volume 4B
3. \[3\] International Organization for Standardization. Welding — Quality requirements for heat treatment in connection with welding and allied processes. ISO Standard, 2023. [](/pt/wiki/tratamento-t%C3%A9rmico/atmosferas-de-tratamento-t%C3%A9rmico-do-a%C3%A7o-e-prote%C3%A7%C3%A3o-da-superf%C3%ADcie#wiki-cite-ref-3) ISO 17663:2023

 **À primeira vista**

Principais riscos superficiais

Oxidação, carepa e descarbonetação

Principal variável de controlo

Potencial de carbono

Âmbito do controlo

Ciclo térmico completo, incluindo o arrefecimento

Principais grupos de controlo

Controlo da atmosfera do forno e controlo da atmosfera de alimentação

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