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/,7(5$785$�7e&1,&$� MELHORANDO PROPRIEDADES MECANICAS SUPERFICIAIS DE LIGAS FERROSAS NA NITRETAÇÃO A GÁS CONTROLADA E AUTOMÁTICA Na Linha de Frente das Tecnologias para Tratamentos Térmicos Nitretação a Gás Controlada: Nitreg® - Nitreg®-C - ONC® ��� ��� ��� ���� �� �� ����� 3474 Poirier Boulevard St. Laurent, Quebec H4R 2J5 CanadaTel: 514-335-7191 Fax: 514-335-4160 E-mail: nitrex@nitrex.com Estrada Turística do Jaraguá, 358 – Cep 05159- 900 – Sao Paulo – SP – F.11-3906.3118 < tratamento-termico@combustol.com.br > ZZZ�QLWUH[�FRP�����������www.combustol.com.br� Página 2 00HHOOKKRRUUDDQQGGRR��33UURRSSUULLHHGGDDGGHHVV��00HHFFkkQQLLFFDDVV�� 66XXSSHHUUIILLFFLLDDLLVV��GGHH��//LLJJDDVV��))HHUUUURRVVDDVV��DDWWUUDDYYppVV��GGDD�� 11LLWWUUHHWWDDoommRR��DD��**iiVV��&&RRQQWWUURROODDGGDD��HH��$$XXWWRRPPiiWWLLFFDD��� :LWROG�.�/LOLHQWDO��*HRUJH�-�7\PRZVNL��1DELO�7DUID� 1LWUH[�0HWDO�,QF���6W�/DXUHQW���4XHEHF��&DQDGD� Tradução: Combustol – São Paulo – SP - J.C.Vendramim 5HVXPR�� � 'HFODUDU� H� FRQYHQFHU� GD� VXSHULRULGDGH� GH� TXDOTXHU� QRYR� PpWRGR� RX� WHFQRORJLD� � H[LJH� SURYLGHQFLDU� SURYDV�WDQJtYHLV�GDV�SURSULHGDGHV�PHOKRUDGDV��GR��SURFHVVR�H�UHVSHFWLYD�HFRQRPLD��'XUDQWH�PXLWRV�DQRV� D�QLWUHWDomR�D�JiV�QmR�IRL�XP�SURFHVVR�GH�HQGXUHFLPHQWR�VXSHUILFLDO�SRSXODU�GHYLGR�UHJLVWUR�QD�PHPyULD� FROHWLYD� GH� DOJXQV� DVSHFWRV� UHODWLYRV� D� IUDJLOLGDGH� LQHUHQWH� GD� FDPDGD� QLWUHWDGD�� 8P� VLJQLILFDWLYR� LQFUHPHQWR�GD�WHFQRORJLD�GH�QLWUHWDomR�IRL�UHDOL]DGR�FRP�D�LQWURGXomR�GD�QLWUHWDomR�D�JiV�FRQWURODGD�H� DXWRPiWLFD� ±� SURFHVVR� TXH� XWLOL]D� R� FRQFHLWR� GH� SRWHQFLDO� GD� DWPRVIHUD� FRPR� SDUkPHWUR� GH� FRQWUROH��� (VVH�SURFHVVR�SRGH�VHU�LPSOHPHQWDGR�H�FRQVHJXLU�DV�PHOKRUHV�FDUDFWHUtVWLFDV�PHFkQLFDV�VXSHUILFLDLV�GDV� SHoDV� QLWUHWDGDV� FRP� D� HOLPLQDomR� GHVVD� H[FHVVLYD� IUDJLOLGDGH�� DR� PHVPR� WHPSR� HP� TXH� SURFHVVR� RSHUDFLRQDO�p�IiFLO�H�HFRQ{PLFR���� � ��� ,QWURGXomR� � Para muitas praticas metalúrgica, inclusive a de nitretação, é suficiente apresentar dados relativos a profundidade, dureza e composição das fases. Essas informações para o metalurgista são suficientes e úteis acerca de uma dada tecnologia, mas nem sempre é esta pessoa que assume responsabilidades e toma as decisões de desenvolvimento e investimentos para uma outra tecnologia. Contudo, se o fabricante, ou o usuário, de qualquer peça ou ferramenta for apresentado à opção de trocar de tecnologia que seguiu por muito tempo por uma outra, e nova, tecnologia deve ser convencido de que estará ganhando ao fazer esta troca. Existem quatro possíveis áreas para se apreciar: a) Incremento das propriedades mecânicas em comparação com aquelas obtidas pela tecnologia atual b) Facilidade operacional do ciclo de processo – redução de problemas técnicos - enquanto se obtém resultados equivalentes ou melhorados c) Melhorias econômicas pela redução de custos de processo d) Processo deve ser ecologicamente amigável � Esses argumentos podem assumir quaisquer pesos em quaisquer situações e contribuem para convencer da superioridade de qualquer novo processo. Todos esses argumentos podem ser demonstrados no caso da nitretação a gás controlada e automática. Página 3 ��� 1LWUHWDomR� � Processos de endurecimento superficial são conduzidos por várias razões e para aplicações diversas. A mais elementar razão é o incremento da resistência ao desgaste, contudo resistência a corrosão, resistência a impacto e fadiga também tem maior significância. Muitas tecnologias de endurecimento superficial são utilizadas na prática industrial, como tempera por indução, revestimentos duros e, claro, processos de difusão – carbono e nitrogênio. Desses, o mais popular método de endurecimento é a Cementação e Carbonitretação. O processo a gás de nitretação é conhecido desde final do século XIX, mas somente no inicio do século XX, propriamente na década de 20, que a nitretação industrial se tornou um método viável. Ela foi utilizada predominantemente para aço ligado Nitralloy e a camada branca resultante era tão frágil que tinha de ser removida pelo único meio disponível na época, ou seja, retifica. O surgimento da nitretacao em banho de sal no inicio dos anos 50 demonstrou pela primeira vez que o tempo de nitretacao poderia ser utilizado com sucesso para aços carbono e aços baixo liga, proporcionado pelo processo de ciclo curto, de forma que a camada branca não se permite crescer para atingir espessuras frágeis. Somente no inicio dos anos 60 e 70 que a nitretacao a gás foi retomada. Uma campanha formidável dos fabricantes de sal para nitretacao liquida e equipamentos contaram com uma agressiva contra-ofensiva dos defensores da opção gás de nitretacao, confundindo a comunidade de tratamentos térmicos sobre os reais méritos da nitretacao. Disso ocorreu um lento progresso da nitretacao a gás em contraposição à carbonitretação que se desenvolvia rapidamente como opção de processo bem controlado e automático. A nitretacao exibe várias e significativas vantagens sobre a carbonitretação, conforme mostra a tabela 1. �� � Tabela 1 - Comparação das características tecnológicas dos processos de Carbonitretação e Nitretação &$5$&7(5,67,&$� &(0(17$d2� � 1,75(7$d2� � Compatibilidade de Material Seleção limitada de tipos de aços Larga variedade de aços, incluindo os aços inoxidáveis, “maraging” e aços endurecidos por precipitação. Faixa de temperatura de tratamento 850 - 950°C (1562 - 1742°F) 460 - 600°C (860 - 1112°F) Realização do tratamento térmico Exige tempera e revenimento (e, opcionalmente, tratamento sub-zero) Não exige tratamento térmico adicional Acabamento Superficial Freqüentemente exige retifica (custo adicional) Para a maioria, não exige acabamento superficial adicional tipo retifica. Distorção Pode ser substantial Praticamente nenhuma devido menor temperatura de tratamento e ausência de transformação de fase no núcleo do material Limpeza Superficial Em muitos casos exige lavagem para remoção do óleo de resfriamento Depois da nitretação a peça está pronta para ser utilizada, ou montada. Dureza Superficial 60 - 65 HRC Depende to tipo de aço, podendo alcançar 70 HRC, ou mais. Resistência a Corrosão Elevada concentração de carbono é susceptível as trincas por tensão corrosiva Camada Branca aumenta a resistência a corrosão (exceção aços inoxidáveis) A nitretacao iônica, ou plasma pulsado começou a ser utilizada em escala industrial a partir dos anos 70, mas demorou quase vinte (20) anos para fazer progresso na América. Enquanto ela deve ser vista como uma evolução da tecnologia de nitretacao, este método está, nos dias atuais, sujeito a limitações, entre as quais a medição da temperatura que é muito sensível, a geometria das peças e a forma como essas são arranjadas, ou montadas, no interior do forno. O melhor desempenho deste processo ocorre para peças seriadas, mesma geometria e disposição no forno, portanto, porém, ainda assim, exigindo que o processo seja acompanhado por operador eficiente, em termos de mínimo conhecimento em eletrônica. A nitretação iônica conduzida sem acompanhamento de um operador altamente eficiente, em termos de conhecimento em eletrônica, e com muita experiência. Página 4 �������������$�&DPDGD�1LWUHWDGD�H�VXDV�3URSULHGDGHV� � A camada nitretada é formada pela difusão de átomos de nitrogênio no aço. O nitrogênio atômico é obtido pela dissociação térmica de amônia na superfície do aço. Para baixas concentrações, forma-se solução sólida com a mesma rede cristalina básica do substrato do material. Quando a concentraçãoexcede o máximo do limite de solubilidade do material nitretos são formados. No caso de aços não ligados, o primeiro nitreto que se forma é o γ’ (Fe4N). Elevada concentração de nitrogênio conduz à formação de nitreto ε (Fe2-xN). Quando crescem os nitretos dispersos, uma camada superficial é eventualmente formada e conhecida como “FDPDGD�GH�FRPSRVWRV”, ou “FDPDGD�EUDQFD”. Para alguns aços ligados, a seqüência de formação das fases constituindo a camada branca pode ser diferente. O termo “branca” está relacionado com a resistência ao ataque do reagente químico “nital” (acido nítrico diluído em álcool) utilizado para examinar a camada nitretada. Esquematicamente, as figura 1 e 2 mostram as camadas nitretadas típicas para aço carbono e aço ligado. Verifica-se que existe diferença substancial entre as camadas nitretadas formadas para aços de diferentes composições e, com efeito, nas suas propriedades. No caso de aço carbono, todas as propriedades estão concentradas na camada branca. O nitrogênio da camada de difusão abaixo da camada branca se apresenta como agulhas de nitretos, mas o efeito disso na dureza é limitado. A camada branca responde, principalmente, pela resistência a desgaste, sendo normalmente de espessura maior do que a camada de aços ligados e contém alguma porosidade na zona superficial. Esta porosidade pode atualmente ser utilizada em aplicações onde resistência à corrosão é exigida. Quando os aços contem elementos formadores de nitretos como Cromo, Manganês, Titânio e Vanádio, a zona de difusão abaixo da camada branca fica endurecida, criando um “perfil de dureza”. A dureza na superfície é elevada e declina com o decréscimo da concentração de nitrogênio. Na maioria dos aços, quando a superfície adequadamente atacada com um reagente químico, a camada de difusão é vista como uma zona escura. Nos aços ligados a camada branca é a zona primeira, embora não necessariamente, responsável pela resistência ao desgaste. Uma outra importante função desta é a proteção contra corrosão. O incremento de dureza na camada de difusão oferece suporte para a camada branca. A camada de difusão é a transição entre a camada muito dura e o núcleo do material. Essa dureza, assim como a profundidade, tem um efeito Figura 1. Camada nitretada no aço carbono Figura 2. Camada nitretada no aço ligado. Página 5 significativo nas propriedades de fadiga. Resistência à fadiga depende significativamente da dureza do núcleo que é resultado do tratamento térmico precedente ao processo de nitretacao. Camada nitretada em aços inoxidáveis é caracterizada por uma aguda e bem definida borda entre a camada de difusão e o núcleo. Dureza de núcleo em aço austenitico e ferritico, o qual não é endurecível por tratamento térmico, é independente da temperatura do processo de nitretacao. O efeito endurecedor devido a nitretacao está concentrado desde a camada de difusão, e geralmente é elevada, na faixa de 800 HV a, aproximadamente, 1200 HV. Nos aços martensiticos, a camada nitretada tem propriedades similares, mas a dureza de núcleo pode variar, dependendo do tratamento térmico anterior. Deve-se ter em mente que enquanto a nitretação aumenta a resistência à corrosão na maioria dos aços, isto não ocorre para os aços inoxidáveis. Isto é devido ao cromo contido nos aços inoxidáveis, um forte elemento de nitretos, prontamente combinar com o nitrogênio de difusão, reduzindo o conteúdo de cromo dissolvido na matriz do aço. . Este efeito indesejável pode ser contornado executando-se o processo de nitretação a baixas temperaturas, porém isto demandará tempos longos de processo1. Tem sido demonstrado que as propriedades da camada nitretada dependem criticamente da composição de fases na camada, com relação a concentração de nitrogênio na superfície.2. Esta concentração está diretamente dependente de um outro parâmetro da atmosfera conhecido como Potencial de Nitrogênio KN, como mostrado pelo Diagrama de Lehrer, recentemente atualizado por L. Maldzinski3 (Fig. 3). Ele pode ser compreendido como uma quantidade para a qual se determina a máxima concentração de nitrogênio na superfície do aço, numa dada temperatura, e que não pode ser excedida. . Matematicamente, o potencial de nitrogênio KN é expresso pela formula: Onde pNH3 e pH2 são pressões parciais de amônia e hidrogênio na atmosfera do forno � � ��� 1LWUHWDomR�D�*iV�&RQWURODGD�SHOR�3RWHQFLDO�GH�1LWURJrQLR� Na nitretação convencional o único parâmetro de controle do processo até presente data tem sido o grau de dissociação de amônia, medida por uma bureta colocada na linha de exaustão dos gases do forno, e o único meio de controle dessa dissociação tem sido taxa do fluxo de gás. Nos anos setenta foi realizado nitretacao somente com amônia que é muito agressiva, incapaz de produzir resultados satisfatórios quando camada branca de espessura limitada, ou zero, é requerida. Esta limitação é especialmente significante naqueles casos onde camada de difusão é exigida nos processos de longa duração. Hoje muitos processos de nitretacao são conduzidos em atmosferas diluídas envolvendo NH3 dissociado e N2. Figura. 3. Diagrama de Equilibro de Lehrer, atualizado por L. Maldzinski KN p p NH H = 3 2 3 2( ) / � ��� � � � � ff�� � ff ff�� � � ��� � fi flffi � ! " � # $ % & '() " ! � # $ % & '() " * ��� + �-,�� . �-ff�� ff �/� + * � 0 ��� . ��� ff ff�� * ff�� � ff�� ff * H J J D 1 2 1 1 3 1 2 1 1 4 1 2 1 3 1 2 1 5 6�7 1 2 1 4 1 2 1 8 ,�ff�ff +�ff�ff ��� ��ff-ff 9���ff 9�ff�ff : ; ��� ff ��� � ��� 0 ��� * ��� ��� � < �-ff = > 4 2 ? 4 4 2 ? @ 4 2 8 ? 4 2 8 5 4 2 ? 8A6�7 4 2 ? B 4 2 ? B 8 ? 2 4 1 ? 2 8 4 B 2 1 1 B 2 @ 4 B 2 4 1 B 2 8 4 ? 2 @ 4 3 1 2 1 1 6�7 )H���1 � C D Página 6 Entretanto, um número predominante de instalações mundial, incluso os últimos sistemas desenvolvidos, o parâmetro de controle é ainda simplesmente o controle da taxa do fluxo de gases e amônia dissociada resultante. Esta operação não é completamente adequada, assim como nenhum destes parâmetros, por si só, está diretamente correlacionado com as propriedades da camada nitretada. Uma nova operação incorporando o potencial de nitrogênio como o principal parâmetro de controle do processo conduz para o desenvolvimento da moderna nitretação a gás, tal como apresentada pelo processo Nitreg®. O que começou como testes de laboratório está agora disponível em escala industrial com sistema computadorizado, totalmente automático e testado em inúmeras aplicações mundiais. Neste método o potencial de nitrogênio entra como um programa de processo e o sistema é capaz de manter este valor. Do inicio até o final o processo não exige ajustes manuais, ou intervenções. Seguindo o fluxograma do ciclo de programa, o processo é capaz de reproduzir resultados conforme especificação. Continuamente o sistema de controle promove a correção automática do processo, conforme ilustra a figura 4. .. O surgimento da nitretação a gás controlada anuncia uma nova era para esta tecnologia com crescimento rápido da popularidade do processo. Há poucos anos atrás, uma interessante pesquisa foi conduzida entre aqueles clientes do processo de nitretacao controlada que tinha substituído carbonitretação pela nitretacao. A questão colocada era sobre a razão de tal mudança. A totalidade das respostas para a mudança foi a redução de custos, conectado com a eliminação da retificacomo a principal motivação. � � � � � Um exemplo da superioridade técnica do processo Nitreg de nitretação a gás controlada e automática sobre o processo tradicional de nitretação a gás é o alivio, redução, ou mesmo eliminação, do fenômeno denominado “ HIHLWR�GH�FDQWR” , pois, quando surge, pode trazer graves inconvenientes para o desempenho de ferramenta – matriz de forjamento a quente; extrusão de alumínio; e matriz de fundição de alumínio, por exemplo. Esse efeito é causado simultaneamente pela difusão de nitrogênio em duas direções convergentes, resultando na sobre-saturação deste e severa precipitação de carbonitretos em contornos de grãos. Enquanto a difusão simultânea não pode ser evitada, a nitretação Nitreg, mediante adequado potencial de nitrogênio, pode superar esse problema fazendo os ajustes necessários durante a nitretação. A figura 5 mostra dois exemplos de aço para trabalho a quente – AISI H13 – sendo um – à esquerda - nitretado por processo tradicional, e outro – à direita – nitretado por processo de nitretação a gás controlado e automático. Figura. 4. Controle automático da atmosfera de nitretação para manter o potencial de nitretação definido Página 7 � ������3URSRUFLRQDQGR�DV�0HOKRUHV�3URSULHGDGHV�GD�&DPDGD�1LWUHWDGD� � ���� �5HGXomR�GH�)UDJLOLGDGH� � Conforme discutido, anteriormente, as propriedades da camada branca, tais como dureza, fragilidade, resistência mecânica, etc... podem estar diretamente ligadas com a composição de fases e portanto, concentração de nitrogênio na superfície da liga ferrosa nitretada e tal concentração dependente do potencial de nitretação (veja Figura 6). O tipo de fase formada para qualquer temperatura de processo dependerá diretamente da concentração de nitrogênio. Obter-se uma camada superficial para suportar cargas é pré-requisito que o carbono + nitrogênio contido não exceda 8.5at%4. Concentrações maiores fragilizam a camada e causam a esfoliação desta. Isto pode ser observado na microimpressão de dureza Vickers. O penetrador utilizado para exame da microdureza deixa uma área de metal deformada que é observada no microscópio. Quando a capacidade do material para aliviar as tensões provenientes deste ensaio não ocorre, microtrincas podem surgir em torno desta microimpressão. A figura 5 mostra a diferença entre a microimpressão de dureza obtida na superfície nitretada por processo convencional e uma superfície nitretada pelo processo controlado. Em ambos os casos, o aço é SAE 4340, nitretado para uma mesma especificação, isto é, camada branca de 15 µm (0.0006” ) de espessura e mesma dureza. Pode-se observar que pela aplicação da nitretacao a gás controlada é possível se obter mesma dureza, mas com substancial redução de fragilidade. � Figura 6. Impressão de microdureza Vickers com carga de 30 kg no aço SAE 4340, nitretado para mesma especificação. Esquerda - Nitretação tradicional; Direita – Nitretação Nitreg®. )LJXUD�����$OLYLR�GR�³HIHLWR�GH�FDQWR´�±�DoR�+�����(VTXHUGD��1LWUHWDomR�D�JiV�WUDGLFLRQDO��'LUHLWD�� 1LWUHWDomR�1LWUHJ��QLWUHWDomR�D�JiV�FRQWURODGD�H�DXWRPiWLFR�$WDTXH�����1LWDO������[ ���� Página 8 � ���������±�5HVLVWrQFLD�D�'HVJDVWH� Estudos têm sido conduzidos6 para comparar a resistência a desgaste de componentes de aço tipo Cr-Mn (DIN 20MnCr5) nitretados no processo de nitretacao controlada versus processo de carbonitretação. O método do “ cilindro de três cones” foi utilizado nesses testes. O tempo e temperatura empregados no processo de endurecimento de camada das amostras para resistência a desgaste foram aqueles que são tipicamente utilizados nesse tipo de aço para se obter ótimas propriedades de camada. A profundidade de camada carbonitretada foi para 0.8 a 1.0 mm (0.032” a 0.040” ). A camada nitretada, dependente do tipo de aço, neste caso, é de, aproximadamente, 0.2 a 0.5 mm (0.008” a 0.020” ), com camada branca de espessura 5 - 15 µm (0.0002” a 0.0006” ) para ciclo de nitretação tradicional. Na nitretação controlada o valor do potencial de nitrogênio é mantido, em oposição ao processo tradicional na qual o único parâmetro ajustado é baseado na taxa de dissociação de amônia. Após a nitretacao as amostras não foram retificadas, para o teste não começar na zona abaixo da camada da superfície. As amostras carbonitretadas foram retificadas após o tratamento térmico para recuperar a mesma rugosidade. Desta maneira, as condições do teste para superfícies nitretadas e carbonitretadas refletem as condições industriais de trabalho. A dureza superficial das amostras nitretadas e carbonitretadas não difere substancialmente para esse tipo particular de aço. Os testes de desgaste foram conduzidos em condições uniformes, assegurando direta e válida comparação. Pode-se verificar na Figura 7 que a taxa de desgaste, mostrado pelo declive e ascensão das curvas, foi menor para aço nitretado do que para o aço 20MnCr5 carbonitretado. Após conclusão do teste, a profundidade total do desgaste foi menor para a superfície nitretada do que para a superfície carbonitretada. Uma comparação similar do desgaste de camadas nitretadas obtidos nos processos tradicionais e controlados foi realizado para dois tipos de aços, 5140 e 4340. Os resultados para 4340 são mostrados na figura 8. O desgaste total de ambos após os testes, assim como a taxa de desgaste, é menor para o aço nitretado no processo controlado. Tem sido observado que a versão da nitretacao controlada mantém estável a taxa de desgaste durante toda a duração dos testes. Em todos os testes, as amostras da nitretacao tradicional, ambos materiais 5140 e 4340, atingiram acelerados estagio de desgaste prematuramente e o teste sendo abortado antes de completar 100 minutos devido ao severo desgaste, embora o agarramento não ocorresse. A performance inferior�da superfície nitretada pelo processo tradicional é explicada pela fragilidade da Figura 7. Comparação de resistência ao desgaste sob dois níveis de carga do aço 20MNCr5, carbonitretado e nitretado no processo controlado. E�FGFIHIJLK M N O P Q R M R N R O R P R Q MSR MTN-MVU-MWO�MVX-MTP-MZY�MWQ�MZ[�M\R M-M ]_^ ` ab` c�dfe�g�h�i�j�` klg m k ` con p q r s t u v w qx y z { | } N-M�~�/o X�G� / N-M�~�/o X�Ł AAbŁ - - - - V��Z��V��V��-� ¡ ¢ £¤¢ ¥�¦¨§ª©�«b¬I�¢ ® ©°¯ ®±¢ ¥�² ³ ´ µ ¶ · ¸ ¹ º ´» ¼ ½ ¾ ¿ À �/ÁIÂGÃ�Ä �ÅAÃoÆ�Ä ÇAÈ �/ÁIÂGÃ�Ä �ÅÊÉË Ì Ä È Página 9 camada branca. Como descrito anteriormente, no processo tradicional a concentração de nitrogênio na superfície não é controlada e, portanto, se excesso de concentração é obtido, a camada branca tem uma tendência à escamação durante trabalho. A escamação causa liberação de partículas duras entre as duas superfícies em escorregamento relativo, contribuindo e acelerando o processo de desgaste. � � � � � ����±�5HVLVWrQFLD�DR�,PSDFWR� Os resultados obtidos no estudo6 mencionado mostram que existe uma correlação inversa entre resistência ao impacto e profundidade de camada. Os resultados de ensaios mostram que, de maneira geral, os tratamentos de endurecimento de camada reduzem a resistência ao impacto, de alguns graus, com respeito às condições de tempera e revenimento. Essa reduçãoé proporcional à profundidade da camada de difusão. Tem sido demonstrado que para muitos exemplos é suficiente produzir substancialmente finas camadas nitretadas do que camadas carbonitretadas de maior profundidade, sem comprometer propriedades de desgaste e fadiga5. Conseqüentemente, camadas efetivas delgadas produzidas pelo processo de nitretacao controlada resultam em significativo incremento na resistência ao impacto. Esses resultados são mostrados no gráfico da figura 9. Figura 9. Resistência ao impacto versus profundidade de camada efetiva para aço AISI 4140 (nitretado) e AISI 8620 (carbonitretado). Figura 8. Comparação de resistência ao desgaste sob dois níveis de carga do aço 4340, nitretada no processo tradicional e processo de nitretacao a gás controlado ÍŁÎ�ÏÑÐ�Ò ÓÔ Õ Ö × Ø�Ó Ø Ô Ø�Õ Ø Ö Ø�×Ô Ó ÓÙØ�Ó Ô ÓÛÚ/ÓÜÕGÓÞÝ/Ó Ö ÓÞß/Óà×/ÓÞá/ÓâØ�Ó/Ó ãåä æ ç�æ è�é�ê_ë�ì�í�î�æ ï�ëfð ï¨æ èñ ò ó ô õ ö ÷ ø ù óú û ü ý þ ß ÕGÚ�ÕGÓ������ ����� � ����� ÕGÚ�ÕGÓ������ � ��� ����������� � � ff fi fl ffi�� ffi�� ffi ff ffi�fi ffi�fl �!� �"ffi��#�!�%$��&ff��%'!�%fi!�&(!�%fl!�#)��*ffi��!� +-, . /0. 1�2436587:9<;�. =>5@? =@. 1BA C D E F G H I J DK L M N O P ff�$�ff��RQ�SUT V!WUX Y X ZU[�V�\ ff�$�ff��RQ�]^X Y T _!` a b!a cda eda f�a gda hda ida jda kda b�ada b�b!a a a�l bma�l c"aUl enaUl foaUl gnaUl h"a�l ioa�l jnaUl k p<q q r8s�tvu w�r�sBxBy8r{z�r<|^t }{~ t >B8>� < 4 Ł < ¡ d6¢ £!¤� � ¥ ¦ £� §¡¨¡ ©d d6¢ £!¤� � ¥ Página 10 � � ����±�5HVLVWrQFLD�D�)DGLJD� � H.J.Spies e col.6, conduziram, entre outros, investigações de fadiga para dois aços baixa liga (20MnCr5 e 30CrMoV9) e um aço ao carbono (1045), identificando elevação na ductilidade da camada nitretada que reduz sensivelmente a sobrecarga na faixa de baixo ciclo. A nitretação a gás controlada, como já demonstrado, é capaz de reduzir fragilidade da camada branca. Pesquisas conduzidas por pesquisadores da Nitrex6 proporcionou alguns resultados de testes os quais mostraram que a resistência a fadiga da camada nitretada é a mesma de uma camada carbonitretada de muito maior profundidade. Uma representação gráfica desses resultados é dada pela figura 10. O efeito do tratamento térmico anterior à nitretação (figura 11) mostra que a resistência a fadiga é uma propriedade complexa, dependente da combinação da profundidade de camada e dureza de núcleo. Esta combinação é responsável pela distribuição da tensão residual. ����±�5HVLVWrQFLD�D�&RUURVmR� Até recentemente, a nitretação tem sido utilizada seja para aumentar a resistência a desgaste ou resistência a corrosão, mas não ambas ao mesmo tempo. Nesses casos, a temperatura do processo tem sido tradicionalmente elevada mesmo acima de 600ºC, limitando o escopo da aplicação da nitretacao para aqueles componentes onde a resistência do núcleo não era uma exigência. Nitretacao para resistência a desgaste, conduzida tradicionalmente a baixa temperatura para camadas brancas delgadas (10 – 20 µm) não era considerada adequada para aplicações onde corrosão era principal objetivo. Aumenta a demanda por tecnologia moderna que combine simultaneamente resistência a desgaste e corrosão. Resistência a corrosão depende da espessura, uniformidade, composição de fase e microestrutura da camada branca e para um melhor resultado, essas exigências podem ser diferentes para diferentes tipos de aços. Uma das características da camada branca é zona porosa da superfície. Esta zona pode ser utilizada como um reservatório para “ segurar” inibidores de corrosão – a base de óleo, por exemplo - nas quais o componente nitretado pode ser imerso para ajudar a proteção. A nitretação controlada e automática é importante processo de maneira que se obtenha correta quantidade de porosidade e adequada espessura de camada branca. Este controle é exercido pela correta seleção da temperatura do processo e Figura. 10. Resistência a Fadiga Rotacional “ bending” vs. Profundidade de camada efetiva para 8620 carbonitretado e aço N135M e 4140 Figura. 11. Resistência a Fadiga Rotacional “ bending” vs. temperatura de revenimento anterior e duração do ciclo de nitretação (profundidade de camada) ªv« « ª ¬�« v« « ¬�« ®v« « ® ¬�« ¯v« « « ° ± « ° ² «�° ³ « ° ´ « ° ¬ «�° ª µU¶ ¶ ·d¸�¹ º »U·¼¸d½�¾�·¼¿¡·UÀ�¹ ÁàÄ-Ä¼Å Æ Ç È É È Ê ÇË É ÌÍ Î Ë Ï Ê Ë Ð Ñ É È Ê Ð Ò Î Ó È Ô Î Ë Ð È ÕÖ ×Ø É Ù Ú ½UÛ ÜUÝ�Û º Þ!·d¿-ßdàdádâ ãBº ¹ Û º ¿¡·d¿ ä¡å�ä�â ãBº ¹ Û º ¿¡·d¿6ãBå!ædç�è évê ë é ë ì é ívë î é ì î ï ì î ð ë î ívì é ñ ë ð ë ë ð ì ë î ë ë î ì ë é ë ë é ì ë ò ë ë ò ì ë ñ ë ë ë ó8ô õBô ö�÷ ö�ø ù¡÷�ú!ûdü ý þ ß � ß� þ � � � � � � � � �� � � ß� � � ß � � �� ß� �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �������fifffi�ffifl��fi� "!fi#fiff"$&%�ff'� fffi�)(�(�*,+ - .�/ �fi0fi12fl3�3� '!4#fiff"$&%�ff'� fffi�)5�67* + - Página 11 potencial de nitretacao. Adicionalmente, significativo incremento da resistência a corrosão pode ser obtido pela introdução de um ciclo de oxidação, neste caso trata-se do processo ONC, e também na seqüência a imersão em um liquido inibidor. Este processo promove a formação de uma fina camada de óxido (1-2 µm) na superfície da camada branca. Superfícies com este tratamento apresentam coloração negra atendendo, para algumas aplicações, exigências de ordem estética. Contudo, deve ser enfatizado que o incremento da resistência à corrosão – veja figura 12 – através do procedimento acima descrito é garantido se o processo de nitretacao produzir uma boa camada branca. � ����5HGXomR�GH�&XVWRV�GH�3URFHVVR� � Conhece-se bem o fato de que a nitretação, ocorrendo a baixas temperaturas, e não envolvendo transformação de fases no núcleo do material, não produz significativa deformação, distorção, ou variação dimensional. A variação dimensional atribuída à formação da camada branca é pequena e previsível, de forma que isto é possível ser previsto na operação anterior de retifica, por exemplo. Isto conduz a uma redução substancial de custos relativo a operações de acabamento posterior. Para muitas situações de componentes nitretados estes podem ser utilizados diretamente, ou seja, estar disponíveis para operação seguinte de montagem. Uma exigência muito freqüente para componentes nitretados da industria aeronáutica é de zero camada branca. Isto se deve a ingrata memória que se tem da camada branca frágil do aço Nitralloy no período em que o processo de nitretacao era, tecnologicamente, deficiente, isto é, sem controle. Como mostrado anteriormente, a nitretação a gás controlada e automática é capaz de produzir camada branca não frágil. Porém, isto não mudará as exigências de especificação desses componentes fabricados sem passar por testes de aprovação novos, prolongados e caros. Assim, os componentes devem ser nitretados para satisfazer e atender as especificações exigidas. A dificuldade de encontrar zero camada branca no Nitralloy 135M tem dado origem a uma nova industria: a remoção de camada da superfície nitretada. Em muitos casos isto não pode ser feito por quem executa a nitretacao, sendo necessário enviar o componente para empresas especializadas. Isso, obviamente, adiciona a operaçãocustos, em termos de tempo e dinheiro. A nitretação a gás controlada e automática permite produzir camada de difusão profunda para o aço Nitralloy 135M e outros aços ligados com zero de camada branca, eliminando custos da operação de remoção de camada. O resultado final é a redução do custo total da nitretação, economia no processo industrial de fabricação e, principalmente, melhorias nas propriedades mecânicas superficiais que trazem benefícios significativos, em termos desempenho e maior “ vida-util” . Figura. 12. Resultados em “ salt-spray” (resistência a corrosão) teste ASTM B117, 4 materiais, nas condições: a) sem tratamento; b) nitretado; c) e nitretado + ONC. (Ambos, nitretatado + ONC foram protegidos com inibidor contra corrosao) 8fi9 8fi9 8fi: ; 8'8fi< 83<'= 8fi> ; <'? ; <'? @A?'9 :'=': 8fi?'? B C7B�B D3B�B E3B�B FfiB�B G3B�B H3B�B I3B�B C7B�B3H C,B"C7B JKJ)D LNM'OAP�Q�R�S�TVU W MAX YZ [\ ] ^ _ Z ` a ] b ^ ` ` ^ a Z ^ c ad ^ ] efg hji2k ljm n3o�m prq)p ljm n3o3m prq)ptsvuKwrxyn�z wy{&m p&m |}q)p Página 12 5HIHUHQFHV�� � 1 Larisch B., Spies H.-J., Brusky U., Rensch U.: Plasma Nitriding of Stainless Steels at Low Temperatures. Proc.��VW� ,QWHUQDWLRQDO�$XWRPRWLYH�+HDW�7UHDWLQJ�&RQIHUHQFH, Puerto Vallarta, July, 1998, pp. 221-228 2 Lehrer E���=HLWVFKULIIW�IU�(OHNWURFKHPLH, 1930, vol. 36, No 6, pp. 383-392. 3 Maldzinski L., Przylecki Z., Kunze L.: Equilibrium Between NH3/H2 and Nitrogen in ε Phase of Iron-Nitrogen System. Steel Research, (1986) No. 12, pp. 645-649. 4 Czelusniak A., Korwin M.: Nitreg – Advanced surface hardening technologies. Brochure by Nitrex Metal, Inc., St. Laurent, Quebec, Canada, 1986 5 Nakonieczny A. et al.: Computer-controlled gas nitriding - a viable replacement for carburizing. +HDW�7UHDWPHQW�RI� 0HWDOV����������SS������� 6 H. Spies, M. Scharf, N.D. Tan: Eifluß des Nitrierens auf die Zeitfestigkeit von Stählen. Härterei-Technische Mitteilungen (1991) No 46 (5), pp. 288-293
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