Aço SAE 4140 nitretado por plasma: modelamento do perfil de dureza da superfície e estabilidade dimensional

Abstract

O presente trabalho tem por objetivo comparar os efeitos da nitretação a plasma e da cementação sobre o aço SAE 4140, com foco na microestrutura formada, no perfil de dureza e na estabilidade dimensional resultante. Foram aplicadas quatro diferentes condições de nitretação a plasma, variando-se temperatura, tempo e composição da atmosfera, e uma condição de cementação gasosa seguida de têmpera. A caracterização das amostras incluiu análise metalográfica, ensaios de microdureza e validação dimensional de amostras antes e após os tratamentos termoquímicos. A partir dos dados obtidos, foi proposto um modelo matemático para descrever o perfil de microdureza em função da profundidade a partir da superfície do material, permitindo a extração das constantes A e B, relacionadas, respectivamente, à inclinação da curva e à espessura funcional da camada endurecida. Os resultados mostraram que os processos de nitretação a 520 °C, especialmente os processos de nitretação promoveram camadas de endurecidas mais espessas e estáveis, com aderência ao modelo proposto (R² > 0,95), além de mínima distorção dimensional. Já a condição cementada gerou camadas com microestrutura predominantemente martensítica com elevada profundidade em relação a superfície das amostras, porém, gerou grandes distorções. Conclui-se que a nitretação a plasma, quando corretamente parametrizada, representa uma alternativa potencial à cementação para o tratamento do aço 4140, sobretudo em aplicações que demandam elevada dureza da superfície aliada à estabilidade dimensional.

This work aims to compare the effects of plasma nitriding and carburizing on SAE 4140 steel, focusing on the resulting microstructure, hardness profile, and dimensional stability. Four plasma nitriding cycles were performed, varying temperature, time, and atmosphere composition, along with a conventional gas carburizing treatment followed by quenching. The samples were characterized through metallographic analysis, Vickers microhardness testing, and dimensional validation of the samples prior and after the thermochemical processes. Based on the hardness data, a mathematical model was proposed to describe the hardnessdepth profile, enabling the extraction of constants A and B, which relate to the rate of the hardness drop and the functional thickness of the hardened layer, respectively. Results indicated that the nitriding conditions at 520 °C produced deeper and more stable hardened layers with agreement to the proposed model (R² > 0.95), while maintaining minimal dimensional changes. In contrast, the carburized samples exhibited predominantly martensitic layers, with elevated depth in relation to the surface, although with significant geometric distortion. It is concluded that, when properly optimized, plasma nitriding represents a potential alternative to carburizing for SAE 4140 steel, especially in applications requiring high surface hardness combined with dimensional stability.