Nitretação - Nitriding

Um moderno forno de nitretação computadorizado

A nitretação é um processo de tratamento térmico que difunde o nitrogênio na superfície de um metal para criar uma superfície cementada . Esses processos são mais comumente usados ​​em aços de baixa liga. Eles também são usados ​​em titânio , alumínio e molibdênio .

As aplicações típicas incluem engrenagens , virabrequins , árvores de cames , seguidores de came , peças de válvula , parafusos de extrusora , ferramentas de fundição , matrizes de forjamento , matrizes de extrusão , componentes de armas de fogo, injetores e ferramentas de moldes de plástico .

Processos

Os processos recebem o nome do meio usado para doar. Os três métodos principais usados ​​são: nitretação a gás , nitretação em banho de sal e nitretação por plasma .

Nitretação de gás

Na nitretação de gás, o doador é um gás rico em nitrogênio, geralmente amônia (NH 3 ), por isso às vezes é conhecido como nitretação de amônia . Quando a amônia entra em contato com a peça de trabalho aquecida, ela se dissocia em nitrogênio e hidrogênio. O nitrogênio então se difunde na superfície do material criando uma camada de nitreto. Esse processo existe há quase um século, embora apenas nas últimas décadas tenha havido um esforço concentrado para investigar a termodinâmica e a cinética envolvidas. Desenvolvimentos recentes levaram a um processo que pode ser controlado com precisão. A espessura e a constituição da fase das camadas de nitretação resultantes podem ser selecionadas e o processo otimizado para as propriedades particulares necessárias.

As vantagens da nitretação de gás sobre outras variantes são:

  • Controle preciso do potencial químico do nitrogênio na atmosfera de nitretação, controlando a taxa de fluxo do gás nitrogênio e oxigênio.
  • Efeito de nitretação geral (pode ser uma desvantagem em alguns casos, em comparação com a nitretação de plasma)
  • Grandes tamanhos de lote possíveis - o fator limitante sendo o tamanho do forno e fluxo de gás
  • Com o moderno controle da atmosfera por computador, os resultados da nitretação podem ser controlados de perto
  • Custo de equipamento relativamente baixo - especialmente em comparação com plasma

As desvantagens da nitretação de gás são:

  • Cinética de reação fortemente influenciada pela condição da superfície - uma superfície oleosa ou contaminada com fluidos de corte apresentará resultados ruins
  • A ativação de superfície às vezes é necessária para tratar aços com alto teor de cromo - compare a pulverização catódica durante a nitretação a plasma
  • Amônia como meio de nitretação - embora não seja especialmente tóxico, pode ser prejudicial quando inalado em grandes quantidades. Além disso, deve-se ter cuidado ao aquecer na presença de oxigênio para reduzir o risco de explosão

Nitretação em banho de sal

Na nitretação em banho de sal, o meio doador de nitrogênio é um sal contendo nitrogênio, como o sal cianeto. Os sais usados ​​também doam carbono para a superfície da peça, tornando o banho de sal um processo de nitrocarbonetação. A temperatura usada é típica de todos os processos de nitrocarbonetação: 550 a 570 ° C. As vantagens da nitretação de sal é que ela atinge uma maior difusão no mesmo período de tempo em comparação com qualquer outro método.

As vantagens da nitretação de sal são:

  • Tempo de processamento rápido - geralmente da ordem de 4 horas ou mais para atingir
  • Operação simples - aquecer o sal e as peças de trabalho à temperatura e submergir até que o tempo termine.

As desvantagens são:

  • Os sais usados ​​são altamente tóxicos - o descarte de sais é controlado por rigorosas leis ambientais nos países ocidentais e aumentou os custos envolvidos no uso de banhos de sal. Esta é uma das razões mais significativas para o processo ter caído em desuso nas últimas décadas.
  • Apenas um processo é possível com um determinado tipo de sal - uma vez que o potencial de nitrogênio é definido pelo sal, apenas um tipo de processo é possível

Nitretação de plasma

A nitretação de plasma, também conhecida como nitretação de íons , nitretação de íons de plasma ou nitretação de descarga luminosa , é um tratamento de endurecimento de superfície industrial para materiais metálicos.

Na nitretação por plasma, a reatividade do meio de nitretação não é devida à temperatura, mas ao estado ionizado do gás. Nessa técnica, campos elétricos intensos são usados ​​para gerar moléculas ionizadas do gás ao redor da superfície a ser nitretada. Esse gás altamente ativo com moléculas ionizadas é chamado de plasma , nomeando a técnica. O gás usado para a nitretação a plasma geralmente é o nitrogênio puro, uma vez que nenhuma decomposição espontânea é necessária (como é o caso da nitretação a gás com amônia). Existem plasmas quentes caracterizados por jatos de plasma usados ​​para corte de metal, soldagem , revestimento ou pulverização. Existem também plasmas frios, geralmente gerados em câmaras de vácuo , em regimes de baixa pressão .

Normalmente, os aços são tratados de forma benéfica com nitretação a plasma. Este processo permite o controle próximo da microestrutura nitretada, permitindo a nitretação com ou sem a formação de camada composta. Não apenas o desempenho das peças de metal é aprimorado, mas a vida útil também aumenta, assim como o limite de deformação e a resistência à fadiga dos metais sendo tratados. Por exemplo, as propriedades mecânicas do aço inoxidável austenítico, como a resistência ao desgaste, podem ser aumentadas significativamente e a dureza da superfície dos aços ferramenta pode ser duplicada.

Uma parte nitretada por plasma geralmente está pronta para uso. Não requer usinagem, polimento ou qualquer outra operação pós-nitretação. Assim, o processo é fácil de usar, economiza energia, pois funciona mais rápido e causa pouca ou nenhuma distorção.

Este processo foi inventado pelo Dr. Bernhardt Berghaus, da Alemanha, que mais tarde se estabeleceu em Zurique para escapar da perseguição nazista. Após sua morte no final dos anos 1960, o processo foi adquirido pelo grupo Klockner e popularizado globalmente.

A nitretação de plasma é frequentemente associada ao processo de deposição física de vapor (PVD) e denominado Tratamento Duplex, com benefícios aprimorados. Muitos usuários preferem ter uma etapa de oxidação de plasma combinada na última fase de processamento para produzir uma camada lisa de óxidos pretos que é resistente ao desgaste e à corrosão.

Como os íons de nitrogênio são disponibilizados por ionização, diferentemente do gás ou banho de sal, a eficiência da nitretação por plasma não depende da temperatura. A nitretação de plasma pode, portanto, ser realizada em uma ampla faixa de temperatura, de 260 ° C a mais de 600 ° C. Por exemplo, em temperaturas moderadas (como 420 ° C), os aços inoxidáveis ​​podem ser nitretados sem a formação de precipitados de nitreto de cromo e, portanto, mantendo suas propriedades de resistência à corrosão.

Nos processos de nitretação por plasma, o gás nitrogênio (N 2 ) é geralmente o gás que carrega o nitrogênio. Outros gases como hidrogênio ou argônio também são usados. De fato, Argônio e H 2 podem ser usados ​​antes do processo de nitretação durante o aquecimento das peças para limpar as superfícies a serem nitretadas. Este procedimento de limpeza remove com eficácia a camada de óxido das superfícies e pode remover camadas finas de solventes que possam permanecer. Isso também ajuda a estabilidade térmica da planta de plasma, uma vez que o calor adicionado pelo plasma já está presente durante o aquecimento e, portanto, uma vez que a temperatura do processo é atingida, a nitretação real começa com pequenas mudanças de aquecimento. Para o processo de nitretação, o gás H 2 também é adicionado para manter a superfície livre de óxidos. Este efeito pode ser observado analisando a superfície da peça sob nitretação (ver por exemplo).

Materiais para nitretação

Exemplos de aços facilmente nitrificáveis ​​incluem as séries SAE 4100 , 4300, 5100, 6100, 8600, 8700, 9300 e 9800, classes de aço de qualidade de aeronaves do Reino Unido BS 4S 106, BS 3S 132, 905M39 (EN41B), aços inoxidáveis, alguns aços ferramenta ( H13 e P20 por exemplo) e alguns ferros fundidos. Idealmente, os aços para nitretação devem estar na condição endurecida e revenida, exigindo que a nitretação ocorra a uma temperatura mais baixa do que a temperatura do último revenimento. Um acabamento de superfície torneado fino ou retificado é o melhor. Quantidades mínimas de material devem ser removidas após a nitretação para preservar a dureza da superfície.

Ligas de nitretação são aços de liga com elementos formadores de nitreto, como alumínio, cromo , molibdênio e titânio.

Em 2015, a nitretação foi usada para gerar uma microestrutura duplex única em uma liga de ferro-manganês ( martensita - austenita , austenita - ferrita ), conhecida por estar associada a propriedades mecânicas fortemente aprimoradas.

História

A investigação sistemática sobre o efeito do nitrogênio nas propriedades da superfície do aço começou na década de 1920. A investigação sobre nitretação de gás começou de forma independente na Alemanha e na América. O processo foi recebido com entusiasmo na Alemanha e vários tipos de aço foram desenvolvidos com a nitretação em mente: os chamados aços para nitretação. A recepção na América foi menos impressionante. Com tão pouca demanda, o processo foi amplamente esquecido nos Estados Unidos. Após a Segunda Guerra Mundial, o processo foi reintroduzido na Europa. Muitas pesquisas foram realizadas nas últimas décadas para compreender a termodinâmica e a cinética das reações envolvidas.

Veja também

Referências

Leitura adicional

links externos


  1. ^ Pye, David. "A Biblioteca de Tratamento Térmico" . pye-d.com . Arquivado do original em 11/01/2017 . Recuperado em 10/01/2017 .