TTT 2012 - VI Conferência Brasileira sobre Temas de Tratamento Térmico
17 a 20 de Junho de 2012, Atibaia, SP, Brasil
ESTUDO COMPARATIVO ENTRE CEMENTAÇÃO À VÁCUO (BAIXA PRESSÃO) E
CEMENTAÇÃO TRADICIONAL
Autor: Eduardo Marcellini Carneiro de Mendonça
Co-autor: José Rubens Gonçalves Carneiro
Wellington Euclídes da Silva
Rogério Pinto Coelho Catalão
RESUMO
A cementação “à vácuo”, é um processo realizado em baixa pressão, abaixo dos 10 milibar e
temperatura da mesma ordem de grandeza (900ºC) do processo convencional. Este processo à
vácuo possui diversas vantagens nos aspectos de qualidade do produto final, produção, flexibilidade,
manutenção, custo inicial e de processo, aspectos ecológicos, ambiental e de segurança,
principalmente quando comparado aos processos tradicionais. Este trabalho objetiva comparar
alguns parâmetros de processo e resultados operacionais do processo de cementação à vácuo com o
processo convencional utilizado em forno contínuo operando com atmosfera de gás natural.
PALAVRAS-CHAVES
Processo – Cementação – Vácuo – Vantagens – Tradicional
INTRODUÇÃO
A cementação é um tratamento termoquímico de endurecimento superficial, obtido mediante
difusão de carbono na superfície da peça com o objetivo de se obter uma superfície enriquecida em
carbono que, posteriormente, passará por um tratamento de têmpera e revenimento. A espessura
obtida depende da temperatura, tempo, atmosfera do forno e tipo de processo e varia com a
aplicação do componente mecânico. Além disso, a têmpera faz com que se criem tensões residuais
de compressão na superfície da peça e de tração no interior, melhorando assim a resistência à fadiga.
Este processo de cementação pode ser realizado em fornos tradicionais contínuos com
atmosfera controlada ou em fornos “à vácuo” de baixa pressão.
OBJETIVO
O escopo do trabalho baseia-se no comparativo entre os processos de cementação realizados
em fornos tradicionais de atmosfera controlada e o processo de cementação “à vácuo” (baixa
pressão), analisando diferenças, vantagens e desvantagens, seja do ponto de vista técnico que
econômico.
CARACTERÍSTICAS DOS FORNOS
Os fornos tradicionais
Os fornos tradicionais são geralmente formados por uma carcaça dividida em zonas, sendo
cada uma delas controladas separadamente. Esta divisão não isola termicamente as várias zonas,
mas consente um monitoramento da temperatura e atmosfera mais preciso dentro de cada zona.
No interior de cada zona, existe um ventilador que permite manter em constante agitação a
atmosfera de gás, melhorando a homogeneidade da mistura de gás em todo o forno.
Para isolar termicamente o interior do forno do ambiente externo, existe uma espessa camada
de material refratário. As cargas no interior do forno são empurradas sobre uma superfície construída
de tijolos de material refratário especial, um material particularmente resistente ao calor e ao
desgaste devido ao arrastamento dos dispositivos de carga.
A pré-câmera é um órgão fundamental permitindo a entrada das cargas no forno sem que haja
contato da atmosfera controlada com o ar ambiente, a fim de evitar o contato desta com o oxigênio
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presente no ar. Tal contato acarretaria em uma combustão violenta, com risco de explosão. Para
evitar a combustão, a pré-câmera é dotada de duas portinholas, criando um compartimento
intermediário entre a parte interna do forno e o exterior.
O gerador de gás é a unidade responsável por compor a mistura de gases e definir a atmosfera
de gás cementante. O sistema de controle é um equipamento composto por um quadro de analises
que mantém sobre controle os principais parâmetros de processo no interior do forno. Controla a
temperatura através de termopares, aumentando ou diminuindo a quantidade de gás na mistura, a fim
de manter estável a temperatura e a atmosfera no interior do forno.
Os queimadores são posicionados nos lados dos fornos, e fornecem o calor necessário para
elevar e manter o forno em temperatura para queimar o gás. O gás já queimado circula através de
tubos particulares, chamados radiantes, com uma característica forma em U que atravessa o forno no
sentido transversal. O ar pré-aquecido em um trocador de calor gás-ar é misturado ao gás
cementante para queimar na ponta do queimador. A chama se propaga no interior do tubo e aquece o
forno. O gás queimado, ainda quente, passa pelo trocador e então é extraído por uma coifa que
converge para a chaminé de exaustão.
O processo de têmpera em óleo é um processo de resfriamento brusco e feito logo após a
finalização do processo de cementação, onde o tanque de óleo é interligado ao forno. Este tanque
deve ser constantemente monitorado em relação ao nível de óleo e temperatura visto que, esse óleo
é inflamável e apresenta risco de incêndio. Além disso, o óleo deve trocado quando atinge a
saturação de contaminantes e resíduos de carbono proveniente das cargas.
Em seguida, as cargas passam por um processo de lavagem com uma solução de água e
detergente desengraxante, objetivando retirar o óleo residual proveniente da têmpera. A solução de
água e detergente deve ser trocada periodicamente.
A última etapa é o revenimento, onde as cargas passam por um forno contínuo com
temperatura em torno dos 180ºC, para aliviar as tensões provenientes do resfriamento drástico em
óleo.
Os fornos à vácuo
O sistema é formado por um forno de pré aquecimento, opcional ao processo, uma célula de
carga/descarga, câmaras de cementação à vácuo, conjunto de bombas de vácuo, célula de
resfriamento (têmpera).
O forno de pré-aquecimento é um item opcional na montagem de um complexo de tratamento
térmico em baixa pressão de modo que, não é implementado por todos os “tratadores”.
O forno é constituído por zonas aquecidas em torno dos 400ºC, em ar ambiente. A carga é
introduzida na primeira zona e transportada por um tempo pré-estabelecido ao longo do forno. O
forno de pré-aquecimento possui duas funções, eliminar resíduos de operações de lavagem
precedente, a fim de evitar entupimento posterior das bombas de vácuo e reduzir o tempo de
aquecimento nas câmaras de cementação, aumentando, portanto, a produtividade.
As câmaras de cementação são construídas em duas partes diferentes: um corpo interno e
uma carcaça externa. Para isolar o forno, são utilizados extratos de diversos materiais isolantes. Em
contato com a atmosfera do forno, existe uma placa de grafite acompanhada por placas de feltro
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cerâmico. Na parte externa existe uma outra placa de grafite, fechando o pacote. Este pacote é unido
por uma espécie de rebite mantendo-o firme junto a carcaça externa. Além disso, as câmaras contam
com um sistema de refrigeração na parede interna da carcaça para manter sua superfície externa
com temperatura próxima daquela ambiente. O aquecimento é feito por barras de grafite conectadas
a barramentos elétricos através de parafusos de cobre. As barras de grafite são dispostas dentro da
câmara homogeneamente formando uma espécie de gaiola em torno da carga. Os bicos de injeção
do gás cementante são posicionados com uma angulação pré-estabelecida e ao longo de toda a
profundidade da câmara, com a finalidade de garantir uma uniformidade da concentração do gás. As
injeções de gás são comandadas por um quadro de comando próprio, composto por um manômetro e
vários medidores de vazão que regulam a vazão do gás.
O processo de cementação à vácuo consiste no aquecimento homogêneo da carga até uma
temperatura superior aquela de austenitização e posteriormente na realização de ciclos de injeção de
gás cementante e períodos de difusão do carbono. A quantidade de ciclos e duração de cada fase
varia com o tipo de peça e é impostado via painel de comando, garantindo desta forma uma grande
flexibilidade ao processo, visto que é possível criar uma receita específica para cada componente.
A qualidade do processo de cementação à vácuo está diretamente ligado ao sistema de
bombas que produzem o vácuo nas câmaras. É necessário gerar um grau de vácuo em torno dos 8
milibar. Este processo é realizado através de bombas especiais, geralmente dispostas em dois
grupos, para realizar a operação em dois estágios. O primeiro estágio consiste em evacuar o ar da
câmara através de bombas de pistão a altas rotações e após, são acionadas bombas especiais que
comprimem um grande volume de gás em baixa pressão em um volume ainda menor em pressão
mais elevada, gerando assim, o vácuo necessário no interior da câmara. Para uma maior eficiência,
este processo é realizado em cada câmara separadamente.
A célula de têmpera é composta por uma câmara conectada a um reservatório de gás inerte
(Nitrogênio ou Hélio) à uma pressão em torno dos 29 bar. Uma eletroválvula faz a comunicação entre
as duas unidades e permite a passagem do gás até que a câmara atinja uma pressão em torno dos 8
bar. Posteriormente, ventiladores de alta vazão e rotação circulam o gás dentro da câmara, que por
sua vez, passa por trocadores de calor do tipo ar-água resfriando homogeneamente toda a carga.
Existe a possibilidade de se recuperar o gás ou descartá-lo no ambiente. Este processo de têmpera
possui diversas vantagens, principalmente relacionadas à flexibilidade do processo, visto que permite
uma variação na taxa de resfriamento da carga através da variação da pressão e velocidade do gás,
possibilitando a criação de uma receita para cada componente.
O processo de alívio de tensões, quando necessário, é feito em um forno contínuo em
atmosfera ambiente, operando geralmente em baixas temperaturas em torno dos 150ºC.
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DISCUSSÃO E ANÁLISE
O ciclo de processo com as diferentes etapas para os sistemas à vácuo e tradicional é
mostrado a seguir na Figura (1A) e (1B).
Ciclo Processo Tradicional
(Figura 1A – Ciclo de processo de cementação em forno tradicional, com duração total de 11 horas)
Ciclo Processo Á Vácuo
(Figura 1B – Ciclo de processo de cementação à vácuo, com duração total de 6 horas)
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A figura (2) mostra a evolução do teor de carbono em função da distância da superfície da peça
com resultados semelhantes, porém para tempos de ciclo diferentes, sendo aproximadamente 6
horas para o processo à vácuo e 11horas para o processo tradicional
(Figura 2 – Teor de carbono versus profundidade da camada, para um ciclo de 6 horas no processo à
vácuo e 11h para o processo tradicional)
As figuras (3A) e (3B) mostram a evolução da dureza em função da distância da superfície para
materiais cementados, temperados e revenidos conforme os processos à vácuo e tradicional.
Dureza (HV0,3)
Corpo de prova em aço 18CrMo4 Cementação tradicional – Têmpera em óleo
Dureza do núcleo: 383,74 HV0,3
Distância da superfície (µm)
(Figura 3A – Evolução da dureza em função da distância da superfície para o processo de
cementação em forno tradicional – Ref. Boot, M. A. 2003)
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Dureza (HV0,3)
Corpo de prova em aço 27MnCr5
Cementação à vácuo – Têmpera em gás
Dureza do núcleo: 484,27 HV0,3
Distância da superfície (µm)
(Figura 3B – Evolução da dureza em função da distância da superfície para o processo de
cementação em forno à vácuo – Ref. Boot, M. A. 2003)
As figuras (4A) e (4B) mostram a microestrutura na superfície e no núcleo respectivamente de
um corpo de prova de material 18CrMo4 cementado através do processo tradicional.
(Figura 4B – Microestrutura do núcleo de
corpo de prova em material 18CrMo4
cementado em processo tradicional - Ref. Boot,
M. A. 2003)
(Figura 4A – Microestrutura em superfície de
corpo de prova em material 18CrMo4
cementado em processo tradicional - Ref. Boot,
M. A. 2003)
As figuras (4A) e (4B) refletem o resultado da cementação feita em processo tradicional,
originando uma estrutura superficial composta por martensita e presença de austenita retida
(aproximadamente 25%). A estrutura do núcleo é composta por martensita e bainita com traços de
ferrita.
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As figuras (5A) e (5B) mostram a microestrutura na superfície e no núcleo respectivamente de
um corpo de prova de material 27MnCr5 cementado através do processo à vácuo.
(Figura 5B – Microestrutura do núcleo de
corpo de prova em material 27MnCr5
cementado em processo à vácuo - Ref. Boot,
M. A. 2003)
(Figura 5A – Microestrutura em superfície de
corpo de prova em material 27MnCr5
cementado em processo à vácuo - Ref. Boot,
M. A. 2003)
As figuras (5A) e (5B) refletem o resultado da cementação feita em processo à vácuo,
originando uma estrutura superficial composta por martensita sem demonstrar traços de austenita
retida. A estrutura do núcleo é composta por martensita e bainita.
As figuras (6A) e (6B) mostram o comportamento dos corpos de prova sob ensaio de
resistência à fadiga de matérias tratados em processo tradicional e processo à vácuo. Mostra ainda o
comportamento do mesmo material após tratamento de Shot Peening.
Solicitação (MPa)
Curvas de Fadiga – Corpo de prova em aço
18CrMo4 cementado em processo tradicional
Fadiga por flexão em 3 pontos
Cementado tradional
Shot Peen
Shot Peen
Shot Peen
Shot Peen
Número de ciclos (x 10^6)
(Figura 6A – Resistência à fadiga de corpo de prova de material 18CrMo4 cementado em forno
tradicional – Ref. Boot, M. A. 2003)
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Solicitação (MPa)
Curvas de Fadiga – Corpo de prova em aço 27MnCr5
cementado em processo à vácuo
Cementado à vácuo
Shot Peen
Shot Peen
Shot Peen
Shot Peen
Fadiga por flexão em 3 pontos
Número de ciclos (x 10^6)
(Figura 6B – Resistência à fadiga de corpo de prova de material 27MnCr5 tratado em forno tradicional
– Ref. Boot, M. A. 2003)
A Tabela (I) mostra o consumo de gás utilizado nos processos de cementação à vácuo e
tradicional.
(Tabela I – Tabela de consumo em cada tipo de processo)
Tipo de processo
Aquecimento
Tradicional
Gás metano
À Vácuo
Elétrico
Processo
30 m³/h metano (endogás)
10 m³/h metano (manutenção da atmosfera)
500 l/h nitrogênio
0,7 m³/h propano
Produção horária
Peso da carga
Tempo ciclo
Consumo total de gás
Consumo de gás por kg
1000 kg/h
130 kg
7,5 min
40m³/h metano
40 l metano
270 kg/h
100 kg
24 min
0,7m³/h propano
2,6 l propano
O processo de cementação à vácuo garante alta repetitividade, já que estabilizados os
parâmetros de temperatura, pressão, duração do tratamento e quantidade de gás injetado, a
repetição dos resultados obtidos é elevada. Além disso, garante-se uma uniformidade da
profundidade de cementação em todas as peças da carga. Outra grande vantagem deste processo é
a flexibilidade, podendo ser criada uma “receita” específica para cada componente.
As vantagens qualitativas são a eliminação da oxidação superficial, obtida através da isenção
de oxigênio no processo, garantindo um aumento na resistência à fadiga. Ainda, há a redução na
deformação já que o processo de têmpera è feito em gás, sendo este menos drástico e
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consequentemente reduzindo as tensões residuais. As deformações são inferiores seja em relação às
dimensões, que aos erros de geometria.
Na saída do processo, as peças saem limpas e sem fuligem, proveniente da queima
incompleta de metano, dessa forma então, elimina-se a operação intermediária de lavagem das
peças e posterior jato de granalha, reduzindo o investimento inicial, custo operacional, tempo ciclo e
área ocupada.
Este processo apresenta-se bastante simples e de fácil gestão, uma vez que não há a
necessidade de um complexo e custoso equipamento de análise, bem como de controle da atmosfera
e temperatura, eliminando a necessidade de mão de obra especializada para controlar tal
equipamento.
A possibilidade de colocar os fornos em linha com a usinagem é uma grande vantagem uma
vez que, permite uma redução no tempo de atravessamento total, bem como na movimentação de
peças. Essa possibilidade deve-se, em parte, à maior segurança do processo devido ao seu
aquecimento elétrico, que não possui queimadores e chamas livre, não há a presença de óleo de
têmpera, que por sua vez apresenta risco de incêndio e, além disso, utiliza uma pequena quantidade
de gás cementante, apenas o necessário para a cementação em si.
Em relação aos fornos tradicionais, apresenta vantagens em relação ao ambiente de trabalho,
pois é eliminada a pré-câmara e, portanto a combustão próxima à área de trabalho. Além disso, a
refrigeração nas paredes internas das câmaras reduz ao mínimo o calor emanado para a área de
trabalho.
Do ponto de vista ambiental, observam-se vantagens como a emissão reduzida de gases para
o ambiente, isenção de óleo de têmpera e emulsão detergente para lavagem das peças
Este processo possui ainda, a vantagem no tempo de aquecimento e resfriamento dos fornos,
uma vez que gasta-se em média 4 horas para aquecer e resfriar, diminuindo consideravelmente as
perdas geradas por paradas de manutenção periódica e limpeza do fornos.
CONCLUSÃO
O tratamento temoquímico de cementação em fornos à vácuo proporciona ganhos de natureza
de qualidade, processo, flexibilidade, produtividade, meio ambiente e econômico em comparação ao
processo em forno tradicional.
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AGRADECIMENTOS
Um agradecimento a Flávio Goulart, quem me deu a oportunidade para adquirir o conhecimento aqui
apresentado e a Giuseppe Cangiano, quem me conduziu pelas teorias e práticas do tratamento
térmico à vácuo.
REFERÊNCIAS
1.
Boot, M. A., La Cementazione In Bassa Pressione Applicata Al Nuovo Cambio M20/32,
Politecnico di Torino, 2003.
2.
Mussano, B., Caratterizzazione del Trattamento Termico e dello Shot Peening sui componenti
del cambio M40, Politecnico di Torino, 2005.
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COMPARISON STUDY BETWEEN VACUUM CARBURIZING (LOW PRESSURE) AND
CONVENTIONAL CARBURIZING
ABSTRACT
The vacuum carburizing is a process carried out at low pressure, below 10 mbar and
temperatures in the same magnitude (900°C) of conventional process. This process has several
advantages in the aspects of product quality, production flexibility, maintenance, initial cost and
running cost, ecological, environmental and safety, especially when compared to conventional
processes. This study aims to compare some process parameters and operating results between
vacuum carburizing process and conventional process used in a continuous furnace operating with
natural gas atmosphere.
KEY-WORDS
Process – Carburizing – Vacuum – Advantages – Conventional
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