Princípios de nitretação a gás – Parte I

Esse é o primeiro de uma apresentação de quatro partes sobre os príncipios de nitretação a gás, onde serão tratadas as características e finalidades do processo de nitretação

A nitretação é um processo de cementação no qual o nitrogênio é introduzido na superfície de uma liga ferrosa, como o aço, mantendo o metal a uma temperatura inferior àquela em que a estrutura cristalina começa a se transformar em austenita no aquecimento (Ac1), conforme definido pelo diagrama de fase ferro-carbono (Fig. 1). O material, normalmente, é colocado em contato com a amônia, que permite a transferência de nitrogênio para a superfície, durante a sua decomposição térmica em nitrogênio e hidrogênio. Outros processos especiais de nitretação também são usados para certos tipos de aços inoxidáveis, envolvendo a decomposição do gás nitrogênio a altas temperaturas, mas estes não serão o foco desta discussão.

Várias características únicas da nitretação são:

– A nitretação é um processo de temperatura (relativamente) baixa em comparação a outros processos cementação (Fig. 2);
– A têmpera não é exigida para a cementação;
– A distorção da peça é normalmente inferior a outros processos de cementação;
– A nitretação é relativamente fácil de ser controlada em termos de parâmetros do processo;
– No processo de nitretação a gás, uma estrutura ferrítica cristalina é altamente desejada em vez de austenítica.

Finalidade da Nitretação

A nitretação é um tratamento de superfície relacionada à difusão (Fig. 3), com o objetivo de aumentar a dureza da superfície (entre outras propriedades) através da criação de uma camada (case) sobre a superfície da peça (Fig. 4).

Um dos atrativos desse processo é que o resfriamento rápido não é necessário. Portanto, as alterações dimensionais são mantidas a um mínimo. Ele não é adequado para todas as aplicações. Por exemplo, uma de suas limitações é que a camada de dureza superficial extremamente elevada é mais frágil do que o produzido pelo processo de cementação.

Uma sequência de produção típica de nitretação a gás (Fig. 5) consiste em várias etapas de tratamento térmico, incluindo pré-tratamentos e (opcionalmente) alívios de tensões entre as etapas de usinagem.

A nitretação cria um componente que tem as seguintes propriedades:

– Alta dureza da superfície (normalmente> 67 HRC);
– Resistência ao desgaste;
– Propriedades anti-desgaste (para aplicações em condições de lubrificação pobre);
– Um mínimo de distorção e de deformação (menor, por exemplo, que cementação/endurecimento);
– Resistência ao revenimento (ou seja, resistência ao amolecimento);
– Estabilidade da camada nitretada;
– Resistência à fadiga melhorada e outras propriedades relacionadas à fadiga;
– Diminuição da sensitividade ao entalhe;
– Resistência à corrosão (exceto para aços inoxidáveis da série 300)
– Pequenas mudanças volumétricas (algum crescimento ocorre).

As propriedades que são consideravelmente melhoradas pela nitretação são a resistência à fadiga (resistência ao carregamento dinâmico), ao atrito, ao desgaste e à corrosão.

Tipos de Nitretação

Três métodos de nitretação são comumente usados na indústria atualmente: nitretação a gás (Fig. 6), nitretação a plasma (Fig. 7) e nitretação por banho de sal (Fig. 8). Cada método é único e tem vantagens e limitações. Só a nitretação a gás será discutida aqui.

Pré-Requisitos para Nitretação

Para assegurar melhores resultados da nitretação, as seguintes precauções e recomendações devem ser seguidas. Primeiro, o aço deve ser endurecido, temperado e revenido antes da nitretação, a fim de possuir uma estrutura uniforme. A temperatura de têmpera tem uma influência sobre a dureza da camada superficial, bem como a profundidade da nitretação (Fig. 9). A temperatura de revenimento deve ser suficientemente elevada para garantir uma estabilidade estrutural quando na temperatura de nitretação. A temperatura mínima de têmpera deve ser 10°C maior que a temperatura máxima a ser utilizada para a nitretação.

Além disso, é recomendado o seguinte:

– Antes da nitretação, o aço deve estar livre de descementação. A limpeza prévia é obrigatória; resíduos nas peças resultará em camadas superficiais irregulares;
– Se a liberdade de distorção é de suma importância, a tensões internas produzidas pela usinagem ou pelo tratamento térmico devem ser removidas antes da nitretação, por uma operação de alívio de tensões, ou seja, aquecendo e mantendo a uma temperatura de 538-705°C, seguido de resfriamento lento;
– Já que algum crescimento ocorre na nitretação, isso deve ser permitido até a usinagem final, ou removido na operação de retificação antes da nitretação, ou mesmo removido por lapidação. Se necessário, a remoção de uma pequena quantidade de camada superficial de nitreto deve ser antecipada para o cálculo da profundidade final da camada de nitretação;
– Se máxima resistência à corrosão é desejada, as peças devem ser usadas como tratadas (com camada branca intacta);
– Aços nitretados do tipo Nitralloy não devem ser usados onde a resistência à corrosão por ácidos minerais for solicitada ou quando se faz necessária a resistência acentuada às partículas abrasivas em altas velocidades (como em bocais de areia);
– Se a retificação é necessária após a nitretação, ela deve ser feita a quente, se possível, na faixa de temperatura de 650°C. As técnicas de retificação a frio devem ser cuidadosamente revistas já que microfissuras são uma preocupação;
– Se a máxima dureza e a máxima resistência ao impacto são desejadas, e a questão da máxima resistência à corrosão não é de importância vital, a remoção de 0,001-0,002 polegadas (0,025-0,050 mm) da camada nitretada é desejável. O montante a ser removido depende da profundidade original da camada. Esta operação irá remover a parte superficial mais frágil;
– Se as peças nitretadas apresentarem uma superfície cinza brilhante após a sua retirada do forno, os resultados devem ser vistos com desconfiança. Invariavelmente, a camada será superficial e sua dureza será baixa. As peças deverão ter uma aparência cinza fosca, apesar de uma ligeira descoloração não indicar nitretação defeituosa. A abertura do forno a uma temperatura muito alta ou a presença de vazamento de ar no resfriamento serão responsáveis pela leve descoloração.

Antes do Tratamento Térmico

Em algumas ligas, como as séries 4100 e 4300, a dureza da camada nitretada é alterada sensivelmente pela dureza do núcleo (Fig. 10). Observe que uma diminuição na dureza do núcleo resulta na diminuição da dureza da camada. A fim de obter sua dureza máxima, estes aços são normalmente fornecidos com dureza máxima do núcleo, através do revenimento à temperatura mínima permitida.

Todos os aços endurecíveis devem ser temperados e revenidos, antes de serem nitretados. A temperatura mínima de revenimento é habitualmente pelo menos 10°C maior que a temperatura máxima a ser utilizada na nitretação. Revenimentos típicos variam de 620-730°C.

Preparação da Superfície

A nitretação é considerada um tratamento de “luvas brancas” (limpo), ou seja, todos os resíduos, incluindo óleos e grãos devem ser eliminados da superfície das peças antes da nitretação. Mesmo a oleosidade da pele, devido ao manuseio das peças sem luvas limpas, pode ser problemática. Se as peças não estiverem absolutamente limpas, resultará em profundidade irregular da camada superficial.

Uma forma aceitável de limpeza das peças é o desengorduramento por vapor e a limpeza abrasiva (grãos de óxido de alumínio), exatamente antes da nitretação.

Outro método envolve uma leve camada de fosfato. As etapas envolvidas são:

– Desengorduramento;
– Enxágue com água fria;
– Banho de imersão de ácido oxálico;
– Enxágue com água fria;
– Enxágue em água morna;
– Mergulho em solução de Fosfato

Se uma superfície descementada não for removida antes da nitretação, a camada irá lascar muito facilmente.

Resultados da Nitretação

Os seguintes resultados podem ser esperados do processo de nitretação a gás

Aparência da Superfície

Peças nitretadas a gás por amônia devem ter uma cor opaca, cinza fosca (Fig. 11).

Estrutura da Camada Nitretada

No processo de nitretação, o nitrogênio que se difunde no aço reage com os elementos formados de nitreto, presentes em solução sólida. O endurecimento resulta desta reação. A profundidade da camada depende de quão fundo abaixo da superfície do aço o nitrogênio é capaz de se difundir durante o período de nitretação. O princípio envolvido é que, enquanto os elementos de liga são removidos da solução sólida, o nitrogênio (que é constantemente abastecido a partir da superfície) se difunde mais longe na liga e, assim, produz uma camada cada vez mais profundo. A sua profundidade, para qualquer tempo de tratamento e temperatura dados, depende da quantidade de elementos de liga com que o nitrogênio deve reagir antes que ele possa se difundir mais.

Concentração do Nitrogênio

O meio nitretado deve conter apenas nitrogênio ativo suficiente para manter a camada branca (Fig. 12). Qualquer aumento além deste ponto serve para aumentar a profundidade da camada branca e não afeta a espessura da camada interna (difusão).

Resistência à Corrosão

A camada branca tem excelente resistência à corrosão. Em certas aplicações, ela não precisa ser eliminada.

Alterações Dimensionais

Durante a nitretação, as peças sofrem um ligeiro aumento de tamanho por causa do aumento de volume que ocorre na camada superficial. Esta alteração causa um alongamento do núcleo, o que resulta em tensões de tração no núcleo que estão em equilíbrio com tensões de compressão na camada superficial, depois que as peças são resfriadas à temperatura ambiente (por exemplo, a redução da sensitividade ao entalhe – um efeito localizado da superfície).

Tensões de Tração

As tensões de tração se originam de imperfeições canceladas por tensões compressivas.

Crescimento e Distorção

As alterações dimensionais em peças nitretadas são regidas em grande parte pela composição, temperatura de revenimento, tempo / temperatura de nitretação, espessura relativa da camada superficial / núcleo, forma da peça e as áreas demarcadas para evitar nitretação. A quantidade de crescimento é geralmente constante para peças idênticas nitretadas em diferentes lotes por um ciclo de processamento fixo. Depois que a quantidade de crescimento para uma peça específica tenha sido determinada experimentalmente, a sua tolerânica pode ser produzida durante a usinagem final (antes da nitretação).

Cantos ou bordas finas devem ser evitados nas peças a serem nitretadas, porque as projeções formadas em cantos vivos têm alto teor de nitrogênio e são suscetíveis ao lascamento. Cantos finos são nitretados através de sua seção e não têm apoio do núcleo dúctil e “macio”.

eças nitretadas pelo processo de duas fases e não retificadas após nitretação tem excelente estabilidade dimensional.

Para mais informações: Dan Herring é presidente do grupo HERRING GROUP Inc., PO Box 884 Elmhurst, IL 60126; tel: +1 630-834-3017; fax: 630-834-3117; e-mail: heattreatdoctor@industrialheating.com; web: www.heat-treat-doctor.com.

 

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