Princípios de nitretação a gás – Parte III

Esta é a terceira de uma apresentação em quatro partes, onde vamos nos concentrar nos materiais utilizados para nitretação. Em um esforço para estabelecer uma ordem lógica, vamos rotular as figuras consecutivamente na ordem que aparecem. Consequentemente, a numeração de algumas figuras pode parecer estar fora de ordem, dependendo do seu ponto de partida

Este mês, vamos nos concentrar nos materiais utilizados. Os artigos impressos anteriores têm abordado a base do processo (edição Abr a Jun) e os detalhes da química do processo (edição Jul a Set).

Aços Nitretáveis

Uma variedade de aços pode ser nitretada. Aços com elementos de liga, tais como alumínio, cromo, vanádio e molibdênio são mais facilmente nitretados, pois formam nitretos, que são estáveis à temperatura de nitretação. Em geral, quanto maior a porcentagem de elementos de liga, menor a temperatura de nitretação exigida e maior a dureza alcançada.

Efeitos de Elementos de Liga

Os elementos individuais de liga (Fig. 24) têm respostas diferentes para a nitretação. Estes incluem:

• Alumínio – Nitreto mais forte formado (ideal com aproximadamente 1,5% de Al);

• Cromo – Aços de baixa liga contendo cromo fornecem uma camada superficial nitretada com ductilidade consideravelmente maior (do que aços que contém alumínio), mas com menor dureza. Em porcentagens altas de cromo, o efeito deste é aproximadamente igual ao do alumínio;

• Molibdênio – Forma nitretos estáveis; reduz o risco de fragilização às temperaturas de nitretação;

• Vanádio – Forma nitretos estáveis e duros;

• Níquel, cobre, silício e manganês – Estes elementos têm pouco efeito, se houver, na nitretação;

• Chumbo – A adição de chumbo tem um efeito ligeiramente negativo, reduzindo a profundidade e a dureza da camada superficial.

Propriedades dos Aços Nitretados

As propriedades mecânicas podem ser melhores através da nitretação a gás. (Tabela 11)

Fatores que Afetam a Profundidade da Camada Superficial

Os usuários do processo de nitretação estão interessados nas variáveis que determinam a profundidade e as propriedades (especialmente dureza) da camada superficial produzida. Os principais fatores que afetam a profundidade da camada superficial são: a natureza do meio de nitretação, tempo e temperatura de nitretação; a quantidade e a natureza dos elementos de formação do nitreto em solução sólida no aço; e o tipo, quantidade e natureza dos outros elementos no aço (C, Ni, Si). Em especial:

• A dureza da camada superficial diminui com a temperatura. Temperaturas mais baixas diminuem sua profundidade para um dado tempo de tratamento;

• A quantidade e a natureza dos elementos de formação do nitreto no aço afetam a profundidade da camada superficial, na medida em que a penetração de nitrogênio é inversamente proporcional à quantidade de nitrogênio que é precipitado para um determinado ciclo (enquanto a liga nitreta). Quanto menor teor de liga, mais profunda a camada superficial para um ciclo de tempo;

• A principal função do carbono é combinar com outros elementos de liga para formar carbonetos, removendo-os da possível reação com nitrogênio;

• Sabe-se também que o níquel e o silício juntos reduzem ligeiramente a profundidade da camada superficial.

Uma mudança na temperatura de nitretação (Fig. 25) de 480°C a 600°C influencia a profundidade da camada superficial e a dureza relativa da superfície. Da mesma forma, uma mudança no tempo de nitretação à temperatura constante pode resultar em uma variação da dureza da superfície (Fig. 26).

O diagrama de fases Ferro-Nitrogênio (Fig. 27) fornece um “mapa” para ajudar a determinar o tipo de estruturas que serão produzidas no processo de nitretação. Esta figura nos diz o que acontece quando o nitrogênio se difunde na superfície de ferro puro.

Em temperaturas de nitretação acima de 450°C, o nitrogênio se dissolve (intersticialmente) em ferrita (alfa), mas apenas até uma concentração de 0,1% a 590°C. Quando o teor de nitrogênio excede este valor, Fe4N ou gama prime (?) se forma até um teor de nitrogênio de 5,7-6,1%. Este nitreto irá precipitar nos contornos de grão e, preferencialmente, ao longo de certos planos cristalográficos. Enquanto a nitretação continua, estes nitretos aumentam de tamanho (assim como em quantidade) até que a microestrutura inteira tenha sido transformada em uma camada de ?. Este é o chamado “composto ou camada branca”.

Enquanto a concentração de nitrogênio continua a aumentar, o teor de nitrogênio na camada também aumenta. Quando a concentração de nitrogênio supera 6,1%, nitreto ? começa a mudar para Fe3N e Fe2N, ambos referidos como nitreto ípsilon (e). Essa transformação começa na superfície (onde a concentração de nitrogênio é maior), e camada de ? gradualmente se transforma em nitreto ípsilon. Enquanto isso, a camada de ? é impulsionada mais para o fundo (Fig. 28).

Apesar do alto teor de ferro da camada ? (7,5-9%), a camada branca (composto) é não-metálica por natureza. Simultaneamente com o aumento da espessura da camada branca, o nitrogênio se difunde mais fundo no aço e novos nitretos são precipitados. A zona abaixo da camada de composto é chamada de “camada de difusão” (Fig. 29).

Como a maioria dos aços também contém carbono, os carbonitretos também são formados. Os nitretos e carbonitretos, em combinação com a distorção da estrutura pela adição de átomo intersticial, são muito duros, tipicamente exibindo = 67 HRC equivalente (900-1100 HV).

Para mais informação: Dan Herring é presidente do grupo HERRING GROUP Inc.; tel: +1 630-834-3017; e-mail: heattreatdoctor@industrialheating.com; web: www.heat-treat-doctor.com.

 

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