Evolução da tecnologia da nitretação por plasma pulsado

Evolução da tecnologia da nitretação por plasma pulsado

A nitretação a plasma foi desenvolvida na década de 30, com base em uma descarga luminescente de alta corrente sobre a superfície da peça e logo se estabeleceu no mercado como um tratamento térmico alternativo. No início da década de 80, uma nova evolução da nitretação a plasma ficou conhecida no mercado: a nitretação por plasma pulsado

A nitretação a plasma foi desenvolvida na década de 30, com base em uma descarga luminescente de alta corrente sobre a superfície da peça. As peças a serem tratadas são montadas em um reator (recipiente) e ligadas ao cátodo, enquanto a parede do reator (forno) está ligada anodicamente.

A câmara de reação é evacuada entre 0,5 e 5mbar e, posteriormente, é inserida uma mistura de gás. Com uma tensão de algumas centenas de volts, o gás é ionizado. A poucos milímetros da superfície da peça, na chamada bainha catódica, íons acelerados colidem a alta velocidade sobre a superfície da peça, quando até 90% da energia cinética é transformada em energia térmica e transferida para a peça a ser tratada. Assim é gerado o calor necessário para a nitretação a plasma das peças. Também com este “bombardeamento de íons” sobre a superfície, elementos metálicos como ferro, bem como elementos não-metálicos, como carbono, oxigênio, nitrogênio etc, são espanados da superfície. Deste modo, a superfície é limpa e ativada. Esta ativação permite uma nitretação sem maiores dificuldades em materiais de alta liga, como o X5CrNi18-10 e o X10CrNiS18-9. Segundo Kölbel [Fig.2], com o impacto de íons de gás sobre a superfície catódica, ocorrem as seguintes etapas no processo:

• Fuga de elétrons do cátodo (peça);

• Ionização das moléculas e átomos de gás;

•Aceleração dos íons em direção à superfície do cátodo (peça);

• Liberação de átomos da superfície (sputtering);

• Geração e recombinação de compostos químicos ou radicais, em especial íons de Fe/N;

• Condensação de moléculas de Fe-N na superfície catódica com libertação de nitrogênio para a superfície, transformando as ligações pobres de nitrogênio;

• Penetração de íons na camada superficial da peça.

Na prática, rapidamente se reconhece que a nitretação a plasma tem muitas vantagens comparadas à nitretação a gás, tais como:

• Maior dureza superficial;

• Fácil de isolar (cobrir) áreas que não devem ser nitretadas;

• Escolha da camada de ligação (camada branca);

• Nitretação sem problemas de aços inoxidáveis austeníticos;

• Possibilidade de nitretação abaixo de 500°C;

• Um simples desengorduramento alcalino é suficiente;

• Baixo custo do processo.

A nitretação a plasma logo se estabeleceu no mercado como um tratamento térmico alternativo. No início, a tecnologia DC (Direct Current – Corrente Contínua) lutava com duas das principais dificuldades:

1 – Para a ionização, é necessária uma alta tensão elétrica, o que tem como consequência desfavorável o arco elétrico. No arco elétrico, toda energia é concentrada em um ponto sobre a superfície da peça (cátodo), provocando uma fusão parcial na superfície das peças.

2 – O plasma é um campo elétrico que se estende entre ânodo (parede do forno) e cátodo (peça) e escolhe sempre o caminho mais curto para descarga. Por esta razão, a bainha catódica não consegue se formar em furos de diâmetros pequenos e em geometrias de fendas estreitas, o que impossibilita a nitretação completa destas áreas.

Nitretação por Plasma Pulsado

No início da década de 80, uma nova evolução da nitretação a plasma ficou conhecida no mercado: a nitretação por plasma pulsado.

A Corrente Contínua foi decomposta entre curtos intervalos de liga e desliga, resultando em novos parâmetros de processo (duração do pulso, intervalo do pulso), o que tornou possível tratar peças de geometria complexa, como fendas estreitas e profundas, nas quais agora o plasma pulsado consegue penetrar.

Além disso, arcos elétricos (altas descargas de corrente carregadas em plasma, não controladas sobre a superfície da peça) podem ser eliminados em microssegundos no processo de nitretação por plasma pulsado, de modo que a superfície da peça não será mais danificada.

Os novos parâmetros de processo, duração do pulso, intervalo do pulso, que no passado, com fontes de alimentação de tensão e corrente contínua, não eram possíveis, trazem agora para uma maior segurança do processo. A nitretação por plasma pulsado, no entanto, tinha um grande problema.

O consumo de energia na fase de aquecimento é duas a três vezes maior do que durante a nitretação. Os elementos transistores de semicondutores da época, entretanto, só conseguiam comutar relativamente baixas correntes pulsadas, tornando impossível aquecer cargas economicamente viáveis somente no plasma e, como solução, aquecedores (resistências elétricas) foram instalados na parede do reator (forno).

A então chamada parede quente não foi considerada como uma evolução da nitretação por plasma pulsado, e sim somente uma construção alternativa para conseguir aquecer cargas maiores até a temperatura de tratamento.

Com este desenvolvimento, inúmeras desvantagens devem ser comparadas com as unidades de Corrente Contínua, sem os sistemas de aquecimento adicionais:

• Recipiente e controle do processo são mais complexos devido ao sistema de aquecimento adicional (parede aquecida) e, por consequência, poucas variáveis possíveis;

• O complexo sistema de construção resulta em custos maiores na construção e manutenção;

• Recipientes de parede quente não podem ser modulares de modo que a altura do espaço de tratamento não possa ser alterada;

• O aquecimento da parede e isolamento térmico necessário diminuem para 40 centímetros o diâmetro interior;

• O isolamento térmico leva a um tempo maior de resfriamento;

• A complexidade da instalação, o hardware e os controles estão mais vulneráveis a falhas e erros de processo.

Além disso, a área de utilização do espaço interno do recipiente de parede quente foi estabelecida a relativamente baixas correntes de plasma. Trata-se, aqui, de uma simples ligação física. Para obter uma boa nitretação precisamos de uma alta tensão constante. Com uma grande área superficial, a carga terá uma baixa resistência elétrica e, segundo a lei de Ohm, uma grande superfície e baixa corrente resultam em baixa tensão. E, em baixa tensão, o transporte do nitrogênio para a superfície não é garantido para se obter uma boa nitretação.

Recipientes grandes de paredes quentes só poderiam tratar ferramentas (moldes) ou elementos de máquinas grandes. Uma carga densa de peças seriadas era impossível de se alcançar. Já na nitretação a plasma, hoje, o plasma é pulsado em recipientes sem aquecimento auxiliar. No final do século 20, foram disponibilizados os primeiros transistores de semicondutores (IGBTs), capazes de transformar altas correntes – essas que são necessárias para cargas de plasma pulsado – em cargas de alta densidade de carregamento.

Igualmente, foi possível com os recém-desenvolvidos geradores de alta corrente pulsada aquecer cargas usando apenas o plasma. O aquecimento da parede, agora, era desnecessário, e os benefícios dos recipientes sem aquecimento já podem, agora, ser utilizados para a nitretação por plasma pulsado:

• A altura dos recipientes pode ser variável por uma construção modular;

• A água de refrigeração reduz apenas 6 cm o diâmetro no interior do recipiente;

• Recipiente sem aquecimento da parede (devido à sua construção simples) é especialmente adequado para utilização em ambientes industriais robustos;

• A manutenção dos recipientes pode ser feita pelo operador da unidade;

• Menores custos de aquisição;

• Os curtos tempos de refrigeração com água levam a uma significativa economia da planta;

• Por intermédio da pulverização catódica (sputtering) durante a fase de aquecimento, a superfície da peça é limpa com a remoção de óxidos e moléculas orgânicas.

Modernos Controladores de Processos (CLP) também oferecem uma variedade de opções e operações simples por meio de telas sensíveis ao toque (touch screen) e a opção de manutenção remota por uma conexão via internet. No sistema, programas de processos podem estar integrados, nos quais os parâmetros de processo adequados são selecionados automaticamente com base em determinados critérios.

O operador entra, por exemplo, nas características do material e geometria da peça e o software irá selecionar um programa ideal para o tratamento. O desenvolvimento da técnica da nitretação a plasma exemplifica o desenvolvimento da tecnologia em geral: “Não há nada tão bom que não possa ser melhorado” (autor desconhecido).

Para o futuro, o desenvolvimento da nitretação a plasma aponta para a integração em linhas de produção, uma vez que não é mais apenas um procedimento para aplicações especiais, mas há muito já vem sendo utilizado em produções seriadas.

Para mais informações, acesse www.nitriondobrasil.com.br ou contate: Wolfgang Singewald, Diretor Técnico da Nitrion do Brasil Ltda; e-mail: nitrion@nitrion.com.br.

 

Referências


 
[Fig. 2] Um dos primeiros modelos que explica o mecanismo de formação da camada nitretada no tratamento de nitretação a plasma. Kölbel sugere um mecanismo mais genérico tanto do ponto de vista da interação física como da interação química do plasma com a superfície. Este modelo é aceito pela maioria dos pesquisadores da área e apresenta todas as possibilidades de ocorrência de efeitos, entretanto, sem apontar que efeito é dominante.

 

Wolfgang Singewald
Wolfgang Singewald
Diretor Técnico da Nitrion do Brasil Ltda; e-mail: nitrion@nitrion.com.br.

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