A carbonitretação é um tipo especial de cementação. Geralmente é utilizada em pequenas a médias profundidades de cementação (Eht). Além de carbono também são difundidas simultaneamente quantidades menores de nitrogênio na camada superficial. Neste processo, o nitrogênio age como elemento de liga na superfície da peça. Através disso, é melhorada a temperabilidade superficial, possibilitando a utilização de aços mais baratos (por exemplo, aços não ligados ou de baixa liga, aços para usinagem fácil e aços para conformação) para uma têmpera. Entretanto, no caso dos aços para usinagem fácil e aços para conformação, por conta do teor maior de manganês existe o risco da formação de austenita retida.

Normalmente a cabonitretação ocorre em temperaturas entre 800°C e 930°C. As profundidades de carbonitretação obtidas geralmente ficam entre 0,06 e 0,60 mm; isto depende da temperatura e do tempo de tratamento: quanto maior a temperatura menor será a absorção do nitrogênio. Por isso, a temperatura de tratamento é de acordo com as propriedades desejadas.

Realiza-se a carbonitretação na faixa de temperatura superior quando a dureza da camada de difusão possui grande importância; e na faixa de temperatura inferior, quando se deseja obter um acúmulo maior de nitrogênio na superfície, aumentando a resistência ao desgaste.

 Após o resfriamento brusco, as peças carbonitretadas são revenidas. Nos aços não ligados, isto normalmente é feito entre 150°C e 180°C e com aços ligados entre 160°C e 200°C.

 A resistência ao desgaste e as características funcionais sob condições desfavoráveis da camada superficial enriquecida em nitrogênio são melhores e a resistência após revenimento é maior do que é possível obter com a cementação convencional. Quanto maior o teor de nitrogênio da camada cementada, maior poderá ser a temperatura de revenimento escolhida.

O processo da carbonitretação não é considerado como processo de nitretação, mas sim de têmpera. A razão disso é que são difundidas somente pequenas quantidade de N (nitrogênio) na estrutura, não formando uma camada branca (ou camada de compostos).

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