Literatura

Nitretação a Plasma 

A Nitretação a Plasma é um método alternativo de elevar a dureza da superfície, resistência à fadiga, resistência ao desgaste e a corrosão dos aços melhorando o desempenho dos materiais encontrados no mercado.

A Nitretação a Plasma é particularmente reconhecida como sendo um tratamento de superfície no qual ocorrem poucas deformações em componentes usinados com precisão.

Exemplos de componentes mecânicos usualmente Nitretados

Exemplos de componentes mecânicos usualmente Nitretados

O Processo

Nitretação a Plasma é o termo técnico para o processo de Nitretação realizado num forno a vácuo, cuja temperatura de processo situa-se em torno de 420°C a 500°C. Usa as características de um gás ionizado para obter a mudança da dureza de superfície do componente a ser tratado.

A Nitretação a Plasma pode substituir o banho de sal, conhecido como Tenifer®, com vantagens em termos de tempo, acabamento superficial e menores deformações.


Vantagens da Nitretação a Plasma

Utilizando nossos procedimentos de Nitretação a Plasma, entre outras coisas,
  • Você terá a vantagem de ter componentes sem qualquer presença de sal na superfície, roscas e furações, podendo ser assim eliminando o processo de limpeza posterior;
  • Variação dimensional insignificante, conseqüentemente não havendo muitas vezes nenhuma necessidade de usinagem, polimento posterior ou outro ajuste qualquer;
  • Em peças de série, obtém-se alta reprodutibilidade de processo no tratamento por Nitretação a Plasma;
  • Profundidade da camada Nitretada em até 1 mm; sendo que a dureza depende do material da peça tratada;
  • Todos os materiais ferrosos podem ser tratados, inclusive aços Inoxidáveis e Ferro Fundido;
  • Maior tenacidade (ductilidade) da estrutura da camada que em outros processos de nitretação;
  • Superfícies com menor rugosidade do que em outros processos de Nitretação;
  • Excelente resultado e fácil polimento;
  • Eleva a resistência contra corrosão, logo procedimentos adicionais de proteção como oxidação, fosfatização (e proteções especiais como a galvanização e a cromagem) podem se tornar desnecessários;
  • Mínima deformação.
Nós temos a melhor solução para seu tratamento superficial.

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Eixos e Engrenagens de Precisão que são freqüentemente nitretados

A Tecnologia do Tratamento Termoquímico de Nitretação a Plasma

A nitretação sob plasma transcorre na faixa da forma metaestável de uma descarga luminosa. Para isso, o gás de tratamento é convertido em um plasma condutor de eletricidade parcialmente ionizado, através de uma tensão variando entre 600 e 1000 V, a uma pressão da ordem de alguns milibares.

Os íons formados a partir da ionização do gás são acelerados na direção da peça (cátodo) onde desencadeiam o seguinte processo:

  1. Liberação de elétrons

  2. Liberação de íons da superfície (Fe, O, C)

  3. Penetração dos íons na camada superficial

  4. Transferência da energia para a peça

O nitrogênio se encontra ionizado no plasma e nesta forma é extremamente reativo. Na superfície da peça ocorre, a formação do nitreto de ferro devido à reação dos íons de ferro liberados com os íons de nitrogênio. O FeN se condensa na superfície da peça e decompõe-se nos nitretos de ferro nas formas Fe2N, Fe3N, Fe4N.

A nitretação sob plasma é conhecida como o processo combinado de remoção e acréscimo de camada na superfície tratada.

As camadas mais externas, geradas pela nitretação sob plasma, consistem de uma combinação intermetálica de ferro e nitrogênio, a saber na forma de y’ – nitreto (Fe4N) ou ε-nitreto Fe2-3N. Também fases mistas y’- ε podem ser geradas. Essa camada de nitreto de ferro possui uma espessura de até 20 µm e apresenta elevada dureza. A sua formação também pode ser totalmente suprimida, o que depende dos parâmetros de ajuste do tratamento.


Nitretação a Plasma - Nitrion do Brasil

Limite das reações superficiais durante a Nitretação sob Plasma, segundo Kölbel

Abaixo desta camada encontramos uma zona de difusão que atinge uma profundidade de até 0,8 mm para dentro do material.
Nesta região, o nitrogênio difundido forma com os elementos de liga, como Vr, Mo, Ti, Al, V, nitretos especiais. Estes nitretos são determinantes para a alta dureza e resistência ao desgaste dos materiais ligados.
Além da composição química, a temperatura é uma das principais variáveis do processo numa descarga eléctrica em gases

A temperatura de tratamento é selecionada numa faixa de 400 até 600°C dependendo de inúmeros fatores como: material da peça, seu pré-tratamento e microestrutura desejada na camada endurecida. No entanto, geralmente para esse procedimento é a utilizada uma temperatura que fica entre 420 °C e 500 °C.
 

A Peça, colocada no cátodo (que é carregado negativamente), é bombardeada pelos elementos positivos do plasma dos elementos envolvidos e o Nitrogênio é inserido na microestrutura do aço, realizando mudanças químicas e físico-estruturais.

Nitretação a Plasma - Nitrion do Brasil

Devido à baixa temperatura de tratamento, não ocorre nenhuma recristalização, mesmo no caso de um grande encruamento. Isto minimiza variações dimensionais e distorções do componente mecânico. (Ampliação óptica = 1000:1)

O tempo do tratamento vai de 10 minutos até 100 horas, dependendo do tipo de material e da profundidade da camada desejada.

Por meio da variação destes parâmetros, é possível obter a camada endurecida uma resistência mecânica ótima para a aplicação.

Os gases usados na execução dos processos são predominantemente o (Ar) Argônio, o (N) Nitrogênio e o (H) Hidrogênio.

O (CH4) Metano e o (CO2) Dióxido de Carbono são usados para os processos de Nitrocarbonetação ou na Pós-Oxidação, tratamentos também realizados a Plasma.

A Pressão é outro parâmetro importante e pode ser ajustada para uniformizar a camada nitretada em geometrias complexas e furos profundos.

A camada Nitretada é formada pela camada branca e pela Camada de Difusão.

 A camada Branca, produzida pela Nitretação a Plasma, consiste em uma liga intermetálica de ferro e nitrogênio, tem uma espessura de até 20 µm e possuem uma grande dureza.  A formação desta camada branca pode ser suprimida a valores muito pequenos, dependendo da temperatura, tempo e atmosfera do processo.

 Abaixo desta camada, encontramos uma zona de difusão que atinge uma profundidade de até 1 mm para dentro do material. Nessa região, o nitrogênio difundido forma com os elementos de liga, como Cr, Mo, Ti, Al, V, nitretos especiais. Estes nitretos são determinantes para a obtenção de alta dureza e resistência ao desgaste nos materiais ligados.

Seqüência dos processos antes e depois da Nitretação a Plasma

Nitretação a Plasma corresponde ao processo de Endurecimento hoje com o menor prazo possível, pois geralmente, as peças a serem tratadas são fornecidas nas dimensões finais e com tolerâncias particularmente pequenas, para obtenção do melhor resultado do processo sugerimos que sigam nosso conselho.

As peças fornecidas devem ter uma superfície lisa. As superfícies a serem tratadas não podem ter qualquer tipo de oxidação, tinta ou gordura, uma vez que isso impossibilita a penetração do nitrogênio na camada de superfície.

Recepção das peças

As peças entregues são comparadas com os dados externos (dados da nota de entrega, material, etc..) e internamente serão acompanhados por um número de identificação (Ordem de Serviço), para que se possibilite uma clara e compreensível seqüência operacional e rastreabilidade.

Lavagem

Antes de serem carregadas no Recipiente de pressão (Reator), as peças devem ser lavadas através de um processo especial de limpeza:
    Meio: solução aquosa com fraca densidade alcalina

    Temperatura para lavação: 70 °C

    Lavadas imersas com jatos de alta pressão para a produção de ondas acústicas
    Hidrodinâmicas;

    Pressão operacional: 15 bar

    Tempo de Lavação: aproximadamente 20 min.

Em seguida, as peças serão lavadas com água desmineralizada e aspergidas por meio de ar comprimido. As peças limpas são carregadas imediatamente após serem desengraxadas ou expostas ao máximo por quatro horas ao ambiente.

Proteção contra Nitretação

Roscas Finas são protegidas contra nitretação por meio de parafusos e porcas para que não fragilizem. Também as superfícies que não serão Nitretadas, serão cobertas com uma camada de pasta de cobre, para proteger contra possíveis endurecimentos indesejados.


Carregamento e Processo

O carregamento dos fornos baseia-se nos dados que constam com procedimentos nas Ordens de Serviço para efetuar o processo de carga. O tempo do tratamento depende entre outras coisas da profundidade da camada endurecida desejada, especificada pelo cliente em desenhos ou descritivos.

Após a Nitretação a Plasma

Nosso controle de qualidade baseia-se em Normas especificas para Nitretação, para confirmar as especificações do cliente e libera as peças com a emissão do Protocolo de Qualidade.

Após o término desse processo, componentes Nitretados a Plasma, serão embalados para entrega e estão prontos para serem usados, não havendo necessidade de limpeza posterior na grande maioria dos casos.

Após o tratamento a peça não deve sofrer retífica ou usinagem, pois perderá parte da camada endurecida.


Dicas para obter o melhor resultado na Nitretação a Plasma

Distorções

Nos processos de tratamento térmicos normalmente utilizados como têmperas, Cementação tempera por indução e outros, as peças são aquecidas e resfriadas rapidamente por convecção ou radiação. Esses processos geram distorções e tensões localizadas, exigindo uma nova usinagem, e às vezes, distorcendo tanto a peça que a mesma tem que ser refugada.
Como na Nitretação a Plasma o tratamento da peça ocorre no vácuo sem resfriamento brusco, ele não insere tensões distorcionais no material.
Para que não ocorram deformações, uma condição muito importante é que as peças não apresentem grandes tensões internas, oriundas de usinagens e tratamentos térmicos anteriores.
Em caso de materiais com grandes tensões internas, aconselha-se a fazer um alivio de tensões.
Enquanto o aumento da rugosidade e do volume são muitos pequenos, as distorções geralmente ocorrem por causa de tensões internas na peça geradas durante o processo de usinagem.
Para que estas tensões não sejam apenas aliviadas durante o processo da Nitretação, é muito importante que se faça um alívio de tensão antes da usinagem final.
A temperatura para o alívio da tensão e a sua duração depende da geometria e do material da peça.

Nitretação a Plasma - Nitrion do Brasil

Superfície Nitretada a Plasma com limites de grão limpos, ou seja, não há entalhes como início de trincas durante permanente carga oscilante.  (Ampliação óptica = 1000:1)

Conservação da Medida e Superfície

As alterações dimensionais, que são obtidas por meio da Nitretação a Plasma, são muito pequenas e geralmente nem precisam ser consideradas. Na maioria dos casos, as peças podem ser usinadas em sua dimensão final antes de serem submetidas à Nitretação sob plasma.

Na Nitretação a Plasma distinguimos entre as seguintes alterações dimensionais:

Aumento da rugosidade

Por causa do crescimento cristalino da camada de Nitreto de ferro na superfície da peça, pode ocorrer um aumento da rugosidade. Dependendo do material e do tipo de tratamento, a rugosidade (Ra) da superfície aumenta entre 0,1 até 0,6 µm.

Quanto maior o tempo do tratamento, maior será o aumento da rugosidade. Também queremos lembrar aqui que a Nitretação a gás demora 3 vezes mais que a Nitretação a Plasma. Por isso, componentes Nitretados a Plasma têm uma superfície mais lisa do que os Nitretadas a gás.

Através de um polimento, pode ser novamente devolvida a rugosidade inicial da peça.

Aumento do volume

No caso da alteração do volume (Variação dimensional) valem as mesmas regras que para os demais processos de Nitretação. O aumento do diâmetro depende de quantidade de nitrogênio que for injetada. Para aços de baixa liga, que foram tratados numa profundidade de 0,4 até 0,6 mm, o aumento do diâmetro do eixo pode chegar de 15 até 20 µm.

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Mesmo contornos mais complexos são nitretados uniformemente (V = 100:1)


Melhoria das Propriedades mecânicas

Tanto peças de aço como de ferro fundido, aços inoxidáveis ou materiais sinterizadas podem ser tratados pelo processo de Nitretação a Plasma. Com a Nitretação a Plasma, aços para construção mecânica, aços para Cementação de baixa liga e aços Nitretados podem apresentar uma sensível melhoria em suas propriedades mecânicas.

Através da alteração dos parâmetros do tratamento, podemos gerar camadas que atendem de maneira ideal à aplicação a qual a peça se destina.

A geração de camadas de nitreto a baixas temperaturas possibilita o tratamento de materiais sensíveis à têmpera.

As camadas obtidas pela Nitretação a Plasma podem gerar uma superfície mais densa e livre de poros devido ao controle das atividades do nitrogênio. O acabamento superficial, proporcionado pela Nitretação a Plasma, aumenta a resistência da peça ao desgaste.

A alta tenacidade é obtida através de zonas de difusão mais finas, sem a presença da camada de nitreto de ferro.

Tenacidade (Ductilidade)

As camadas Nitretadas a Plasma se caracterizam principalmente em materiais ligados, por sua alta tenacidade. Isso se deve ao fato, de que através do controle dos parâmetros do tratamento, a camada de Nitretos de ferro pode apresentar-se em fases diferentes, podendo ser mantida muito fina ou até mesmo ser suprimida.

A maior tenacidade é obtida através de zonas de difusão mais finas, sem a presença da camada de nitreto de ferro.

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Rugosidades maiores são niveladas: antes R2D = 7,0; depois R2D = 4,5.
No caso de ferro fundido (aqui GG25), as lamelas de grafite são cobertas completamente com uma (VS)


Resistência à Corrosão


Em se tratando de aços não ligados ou de baixa liga, o comportamento contra corrosão é melhorado através da fina camada de Nitreto de ferro formada a partir dos Nitretos estáveis.

A resistência contra corrosão poderá ser aumentada ainda mais através de uma oxidação posterior como parte do tratamento de Nitretação.

Devemos observar que, após desgaste da camada de nitreto de ferro, novamente vai existir a resistência normal à corrosão do material base.

No caso de aços resistentes à ferrugem e a ácidos, a resistência à corrosão é bastante reduzida com a formação de uma camada de Nitreto de ferro. Por isso, a camada de nitreto de ferro deveria ser dispensada e usada uma "nitretação brilhante", isto é, somente uma parte dos elementos liga protetores contra a corrosão transformados em nitretos.


Resultado


Como após o processo de Nitretação a Plasma, outros processos de acabamento normalmente não são necessários, a Nitretação a Plasma é particularmente recomendada para também resolver ao mesmo tempo problemas relacionados a corrosões, desgaste e de solidez estrutural.

Devido à elevada segurança do nosso processo de tratamento, nós temos experiências positivas relacionadas a problemas críticos em componentes de produção em série, como por ex., sincronizadores, Engrenagens, rodas para transmissão de alta velocidade, válvulas e pistões hidráulicos, os quais estão prontos para serem instalados após serem submetidos ao tratamento de Nitretação a Plasma.

Nitretação a Plasma - Nitrion do Brasil

Flanges para a transmissão de um tanque com 580 milímetros de diâmetro externo, tolerância de ± 0,01 milímetro

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