Cianização: Processo de Dureza de Superfície para Propriedades de Aço Aprimoradas

Definição e Conceito Básico

Cianidação é um processo de tratamento térmico de endurecimento superficial para aço que envolve a difusão simultânea de carbono e nitrogênio na camada superficial do componente, aquecendo-o em um banho de sal cianeto fundido. Este processo termoquímico cria uma camada dura e resistente ao desgaste, mantendo um núcleo relativamente resistente, melhorando significativamente as propriedades superficiais do componente sem alterar suas características volumétricas.

O processo pertence à família de técnicas de endurecimento de superfície e representa um método importante na engenharia de superfícies de materiais ferrosos. A cianidação ocupa uma posição especializada dentro do campo mais amplo da metalurgia, fazendo a ponte entre os processos de cementação e nitratação, combinando aspectos de ambos para alcançar propriedades superficiais únicas.

Na hierarquia dos tratamentos térmicos do aço, a cianidação é classificada como um processo de difusão termoquímica que modifica a composição química da superfície, em vez de apenas alterar a microestrutura por meio de ciclos térmicos.

Natureza Física e Fundamento Teórico

Mecanismo Físico

No nível atômico, a cianidação envolve a difusão simultânea de átomos de carbono e nitrogênio na rede de ferro da superfície do aço. Esses átomos intersticiais ocupam espaços entre os átomos de ferro na estrutura cristalina, causando distorção da rede e fortalecendo o material por meio de mecanismos de endurecimento por solução sólida.

O processo geralmente ocorre em temperaturas entre 760-870°C, onde a fase austenítica do aço tem maior solubilidade para carbono e nitrogênio. Os átomos difusos formam carbonetos complexos com ferro e elementos de liga presentes no aço, criando um gradiente de composição da superfície para o interior.

A camada resultante contém uma mistura de carbonetos de ferro, nitretos e carbonitretos que aumentam significativamente a dureza por meio de endurecimento por precipitação e mecanismos de endurecimento por solução sólida.

Modelos Teóricos

O principal modelo teórico que descreve a cianidação é baseado nas leis de difusão de Fick, particularmente a segunda lei, que considera o perfil de concentração dependente do tempo. Este modelo descreve como os átomos de carbono e nitrogênio se movem do banho de sal de alta concentração para a superfície de aço de baixa concentração.

Historicamente, a compreensão da cianidação evoluiu de observações empíricas no início do século 20 para modelos de difusão mais sofisticados na década de 1950. Ferreiros primitivos usaram versões primitivas do processo sem entender a ciência subjacente.

Abordagens modernas incluem modelos computacionais que consideram a difusão simultânea de múltiplas espécies (C e N), suas interações e a formação de vários compostos durante o processo. Esses modelos incorporam bancos de dados termodinâmicos para prever formações de fase e parâmetros cinéticos para estimar taxas de difusão.

Base da Ciência dos Materiais

A cianidação afeta diretamente a estrutura cristalina do aço ao introduzir átomos intersticiais de carbono e nitrogênio na rede cúbica de face centrada (FCC) da austenita durante o tratamento. Ao resfriar, esses elementos formam vários compostos e distorcem a estrutura cúbica de corpo centrado (BCC) da ferrita.

O processo cria uma microestrutura em gradiente com uma alta concentração de carbonitretos perto da superfície que diminui gradualmente em direção ao núcleo. Esse gradiente resulta em um perfil de dureza correspondente que transita da camada dura para o núcleo mais macio.

O princípio fundamental da ciência dos materiais subjacente à cianidação é a difusão controlada, onde o movimento dos átomos segue gradientes de concentração de acordo com forças termodinâmicas. O processo exemplifica como a manipulação da distribuição atômica pode alterar dramaticamente as propriedades macroscópicas do material.

Expressão Matemática e Métodos de Cálculo

Fórmula de Definição Básica

A profundidade de difusão na cianidação segue a segunda lei de difusão de Fick, que pode ser simplificada para um sólido semi-infinito com concentração superficial constante como:

$$C(x,t) = C_s - (C_s - C_0) \cdot \text{erf}\left(\frac{x}{2\sqrt{Dt}}\right)$$

Onde $C(x,t)$ é a concentração na profundidade $x$ após o tempo $t$, $C_s$ é a concentração superficial, $C_0$ é a concentração inicial no aço, $D$ é o coeficiente de difusão, e erf é a função erro.

Fórmulas de Cálculo Relacionadas

A profundidade efetiva da camada pode ser estimada usando:

$$x_{eff} = k \sqrt{Dt}$$

Onde $x_{eff}$ é a profundidade efetiva da camada, $k$ é uma constante dependente do processo (tipicamente 2-5), $D$ é o coeficiente de difusão, e $t$ é o tempo do processo.

O coeficiente de difusão segue uma relação de Arrhenius:

$$D = D_0 \exp\left(-\frac{Q}{RT}\right)$$

Onde $D_0$ é o fator pré-exponencial, $Q$ é a energia de ativação para difusão, $R$ é a constante dos gases, e $T$ é a temperatura absoluta.

Condições Aplicáveis e Limitações

Essas fórmulas são válidas principalmente para aços carbono comuns com teor de carbono abaixo de 0,25% e quando a temperatura de cianidação permanece constante durante todo o processo. Os modelos assumem geometria semi-infinita e negligenciam efeitos de borda.

Os modelos matemáticos têm limitações quando aplicados a geometrias complexas ou aços altamente ligados, onde barreiras de difusão podem se formar. Eles também não consideram a formação simultânea de compostos que podem alterar as taxas de difusão.

Esses cálculos assumem que a concentração superficial permanece constante, o que requer agitação suficiente do banho e controle de concentração. Na prática, a depleção do banho e a contaminação podem afetar os perfis de difusão reais.

Métodos de Medição e Caracterização

Especificações de Teste Padrão

ASTM E384: Método de Teste Padrão para Dureza de Microindentação de Materiais - Abrange testes de microdureza para determinar perfis de profundidade da camada.

ISO 18203: Aço - Determinação da espessura das camadas endurecidas na superfície - Fornece métodos para medir a profundidade da camada em aços endurecidos.

ASTM A965/A965M: Especificação Padrão para Forjados de Aço Austenítico, para Partes de Pressão e Alta Temperatura - Inclui requisitos para componentes cianidados.

SAE J423: Métodos de Medição da Profundidade da Camada - Detalha procedimentos para determinar a profundidade efetiva da camada em aços endurecidos na superfície.

Equipamentos e Princípios de Teste

Testadores de microdureza com indentadores Vickers ou Knoop são comumente usados para medir perfis de dureza da superfície ao núcleo. Esses instrumentos aplicam cargas pequenas e precisas (tipicamente 10-1000 gf) para criar indentação microscópica.

A microscopia óptica com técnicas de ataque revela as mudanças microestruturais entre a camada e o núcleo. Reagentes de Nital ou picral são tipicamente usados para diferenciar a microestrutura da camada da do núcleo.

A microscopia eletrônica (SEM/TEM) com capacidade EDS fornece análise detalhada da distribuição de carbonitretos e gradientes de composição química na interface camada-núcleo.

Requisitos de Amostra

Cortes metalográficos padrão devem ser preparados perpendiculares à superfície tratada. As amostras normalmente medem de 10 a 25 mm de comprimento e devem capturar toda a profundidade da camada.

A preparação da superfície requer moagem e polimento cuidadosos para evitar arredondamento das bordas, o que pode distorcer as medições da profundidade da camada. O polimento final com pasta de diamante de 1 μm ou mais fina é recomendado.

As amostras devem estar livres de descarbonização ou outros artefatos de tratamento térmico que possam afetar a interpretação da camada cianidada.

Parâmetros de Teste

Os testes de micro