Plasma, nitretação a gás e nitrocarbonetação para componentes de engenharia e ferramentas de conformação de metais

Plasma, nitretação a gás e nitrocarbonetação para componentes de engenharia e ferramentas de conformação de metais

Fig. 1. Carga de anéis uníssonos de um turbocompressor PM de 310SS sinterizado durante a nitretação a plasma (note a geometria complexa das peças)

Propriedades relativas ao desgaste, corrosão e fadiga são fortemente dependentes da qualidade superficial e de suas alterações [1]. Os métodos termoquímicos, como o a nitretação a gás ou a plasma, permitem melhorias destas propriedades em aplicações mais severamente carregadas (mecanicamente e/ou quimicamente), sem causar quaisquer mudanças nas dimensões dos objetos tratados

Apesar de sua longa história, a nitretação a gás ainda é um assunto de estudos extensivos. Existem publicações apresentando invenções que tornaram o processo um método totalmente controlável nos últimos 30 anos [3 e 4]. A nitretação a plasma, por outro lado, está crescendo rapidamente como um processo de baixo potencial de nitretação bem controlado, que também tem muitos outros benefícios [5]. Métodos modernos de nitretação são agora descritos em livros acadêmicos, bem como em muitas outras publicações [1-10].

As diferenças nos mecanismos dos métodos de nitretação a plasma e a gás têm um impacto sobre a utilização de ambos os processos. É importante focar nas características de aplicação mais adequadas de cada método. A nitretação a plasma é chamada de processo de baixo potencial de nitretação, devido a sua habilidade natural de produzir camadas com uma fina zona de composto [5]. Além disso, a penetração de pequenas fissuras e porosidades com a nitretação a plasma é muito limitada. O processo é, portanto, bem adequado para o tratamento de produtos sinterizados de metal de baixa densidade. A capacidade do plasma de ativar superfícies passivas o torna muito útil para o endurecimento de aços inoxidáveis e de outros metais não ferrosos (titânio e níquel). O método também é conhecido pela sua utilização eficaz quando o endurecimento seletivo é necessário. Alternativamente, o método controlável de nitretação a gás permite a nitretação precisa em um baixo e um alto potencial de nitretação. É muito eficaz no alcance de camadas com uma zona fina ou grossa de composto em aplicações onde é necessário o tratamento de 100% da superfície.

Este é especialmente o caso quando uma camada de composto muito mais espessa é requerida, sendo possível sua produção com a nitretação a plasma. Aplicações modernas dos dois métodos de nitretação – plasma e gás – devem basear-se na sua maior razão técnica dos requisitos específicos, que podem ser obtidos usando o método economicamente mais apropriado para uma dada situação.

Aplicações de Nitretação a Plasma

As aplicações da nitretação a plasma são muito amplas. Ela é a resposta para muitos dos problemas causados pelo desgaste abrasivo de várias ferramentas utilizadas nas indústrias de conformação de plástico e metal.

Os exemplos envolvem parafusos, barris, válvulas de refluxo, bicos, moldes e outros componentes da manufatura de plásticos, submetidos a condições extremas de desgaste devido à fibra de vidro contida no plástico.

Produtos que exigem uma camada fina de composto e mascaramento extenso têm demanda crescente (por exemplo, grandes virabrequins forjados, em que furos e contrapesos precisam ser mascarados). Apesar da sua universalidade, as melhores aplicações da nitretação a plasma são os produtos feitos de ligas de aço inoxidável, metais sinterizados ou titânio quando as peças são grandes e o endurecimento seletivo é necessário.

Produtos de Aço Inoxidável

Um benefício para o usuário do aparelho combinado é que a compra de dois produtos diferentes – tubo de nitreto de silício e a resistência de SiC – de diferentes fabricantes não é mais necessária. Com esta unidade aquecedora de imersão, a aquisição pelos usuários será muito mais simples e menos problemática. Outra vantagem é a eficiência dos seus recursos técnicos. Estes produtos de dois componentes – um tubo de proteção e um elemento de aquecimento – exigem especificações precisas para serem combinados entre si para uso na faixa de temperatura pretendida.

Produtos de Ligas de Titânio

As propriedades de atrito, bem como a resistência à corrosão dos produtos de ligas de titânio, são significativamente melhoradas pela nitretação a plasma [7]. A nitretação leva a formação da camada multizona, da qual a parte exterior é composta do nitreto do tipo TiN, com uma característica cor dourada. A Fig. 3 mostra os componentes de liga de titânio depois de nitretação a plasma.

Produtos Grandes Exigindo Mascaramento Extensivo/ Endurecimento Seletivo

Até recentemente, o endurecimento da camada superficial tem sido usado para o tratamento térmico de engrenagens, mas a nitretação a plasma tem surtido um aumento de interesse por causar o mínimo de distorção. Isto significa que não há necessidade de se polir a forma do dente após o tratamento térmico e os produtos podem ser colocados diretamente em serviço. A técnica pode ser aplicada a engrenagens muito pequenas ou muito grandes (Figs. 2 e 4). Modos de falhas típicas de engrenagens são a fadiga por flexão, corrosão, microcorrosão, deformação e desgaste [8]. A nitretação aumenta a resistência ao desgaste e a deformação (marca) dos flancos dos dentes, resistência à flexão por fadiga da raiz do dente, bem como a resistência da superfície de contato do dente da engrenagem à fadiga por contato de rolamento (RCF – Rolling-Contact Fatigue). A RCF normalmente leva a trincas induzidas na superfície ou subsuperfície, que são grandemente minimizadas pela presença da camada nitretada. A nitretação também produz uma elevada resistência ao revenimento (isto é, aumenta a resistência do aço ao amolecimento a temperaturas ligeiramente elevadas).

Estudos de tensão na camada superficial nitretada mostraram uma zona de tensão de compressão sob a superfície na zona de difusão, e valores de tensão mais elevados ocorrem nos aços de mais alta liga [9]. Engrenagens nitretadas a plasma produzidas de um material apropriado podem substituir as engrenagens cementadas e carbonitretadas. Uma comparação da resistência à fadiga de flancos de dentes para diferentes tipos de aço mostrou o efeito da profundidade da camada superficial, a dureza do núcleo e a microestrutura na resistência à fadiga [9]. A capacidade de suporte de carga no flanco e raiz do dente da engrenagem é afetada pela espessura da zona de composto (camada branca).

Engrenagens nitretadas a plasma com espessura da zona do composto de no máximo 1 mícron têm a maior capacidade de carga [9]. Engrenagens nitretadas não necessitam tanta profundidade da camada superficial quanto engrenagens cementadas ou outras com camada superficial endurecidas. A resistência à tração do material do núcleo antes da nitretação deve ser levada em consideração na avaliação. Algumas das engrenagens grandes usadas em aplicações de geração de energia exigem proteção local da nitretação para permitir operações de acabamento ou para reduzir quaisquer riscos de distorção. Isto é conseguido por intermédio de mascaramento mecânico (Fig. 4).

Grandes Ferramentas de Conformação de Metais

Ferramentas de conformação de metais, como grandes matrizes de estampagem automotivas, são muitas vezes utilizadas para a conformação de peças de carroceria feitas de aços avançados de alta resistência (AHSS – Advanced High-Strength Steels), como o aço com dupla fase (DP- Dual Phase), o aço com plasticidade induzida por deformação (TRIP – Transformed Induced Plasticity) e alguns outros aços de alta resistência (HSS – High-Strength Steels). A tensão de contato exigida nessas operações excede a tensão de contato das camadas de cromo galvanicamente aplicadas, normalmente utilizadas em aplicações mais antigas. Em tais situações, a nitretação a plasma é o tratamento mais eficaz para melhorar a durabilidade e o desempenho destas ferramentas. Muitas das ferramentas são feitas de ferro fundido cinzento. Durante o tratamento a plasma, estes materiais mantêm a sua rugosidade superficial, ao contrário da nitretação a gás, que pode resultar em um aumento significativo na rugosidade [10]. Matrizes de estampagem muito grandes podem ser tratadas em câmaras de plasma, como visto na Fig. 5.

Aplicação de Nitretação a Gás/Nitrocarbonetação

Peças Pequenas que Exigem Tratamento Por Todos os Lados

Para este mecanismo de transferência de calor, como mostrado nas Fig. 5 e 6, a energia irá mover-se do elemento de aquecimento, com o calor produzido nele por efeito Joule, para a parede interior do tubo de proteção, em seguida, para a parede exterior do tubo, em seguida, para o alumínio fundido e, finalmente, para as paredes do forno de fusão.

A nitretação a gás permite uma boa penetração da atmosfera de nitretação em torno das cargas mais geometricamente complicadas.

Uma vez que a temperatura do alumínio fundido permanece constante, os elementos com maiores potências de entrada resultarão numa mais rápida transferência de calor e em uma temperatura mais estável do alumínio, já que as correntes convectivas recirculam o alumínio mais frio das paredes frias do forno. Por razões de esclarecimento, a condutividade de calor do ar é de 0,024 W/cm2, do alumínio é de 237 W/cm2 e do nosso tubo de proteção de nitreto de silício é de 40 W/cm2. Pode-se dizer a partir desta observação que o sistema de imersão é um método eficiente para introduzir energia no banho.

Portanto, o método é muito eficaz no tratamento de grandes quantidades de pequenas peças, especialmente as feitas de aço de baixo carbono. Os ciclos de nitretação a gás para o tratamento destas peças exigem um elevado potencial de nitretação para produzir uma camada nitretada, com uma zona de composto de 0,010 a 0,030 mm. As aplicações típicas incluem peças de transmissão que requerem melhorias em resistência à fadiga e ao desgaste, tais como as utilizadas em veículos de terraplenagem (Fig. 6).

Peças Grandes com Propriedades de Resistência ao Galling (Desgaste Adesivo Severo) e à Corrosão

Em muitas dessas aplicações, boas propriedades de superfície do produto só podem ser conseguidas se uma camada espessa de composto e-Fe2N1-z tiver uma camada adicional de magnetita para o aumento da resistência à corrosão.

Estes requisitos podem ser facilmente atingidos por meio de um tratamento de várias etapas em um forno com controle automático dos potenciais de nitretação e de oxidação, mostrados na Fig. 7. A nitrocarbonetação com pós-oxidação muitas vezes substitui diferentes tipos de galvanoplastia como cromo e zinco com passivação por cromatização.

Resumo

As técnicas disponíveis de nitretação/nitrocarbonetação devem ser usadas em suas aplicações mais adequadas para alcançar os efeitos de engenharia desejados, da forma mais econômica. Portanto, é de suma importância que uma análise do design do produto e sua sequência de fabricação sejam acordadas com especialistas em tratamento térmico para atingir esses objetivos.

Para mais informações, contate Edward Rolinski, Advanced Heat Treat Corp, Michigan, EUA, tel: +1-319-291-3396; doctorglow@ion-nitriding.com; www.ahtweb.com.

 

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