Nitretação

A nitretação (nitruração em PT) é um processo tratamento térmico que difunde nitrogênio na superfície de um metal para criar um endurecimento superficial. São mais comumente usados em aços de baixa liga. Eles também são usados em titânio, alumínio e molibdênio.

Peças durante o processo de nitretação a gás

As aplicações típicas do processo são realizadas em engrenagens, virabrequins, eixos de comando de válvulas, peças de válvulas, parafusos de extrusora, ferramentas de fundição sob pressão, matrizes de forjamento, matrizes de Extrusão, componentes de armas de fogo, injetores e ferramentas de moldagem de plástico.

Processos

Os diferentes processos são denominados conforme o meio utilizado para a introdução dos íons de nitrogênio. Existem três métodos principais para realizar a nitretação: nitretação a gás, onde o nitrogênio é fornecido na forma de um gás; nitretação em banho de sal, que utiliza um banho de sais fundidos para o fornecimento de nitrogênio; e nitretação a plasma, que emprega um plasma de nitrogênio para alcançar a difusão dos íons na superfície do metal.

Nitretação a gás

Neste processo, o doador é um gás rico em nitrogênio, geralmente amônia (NH₃), razão pela qual é às vezes conhecido como nitretação por amônia. Quando um molécula de amônia entra em contato com a peça aquecida, ela se dissocia em nitrogênio e hidrogênio. O nitrogênio então se difunde na superfície do material criando uma camada de nitretos. O processo de nitretação tem sido empregado por quase um século, mas foi somente nas últimas décadas que um esforço significativo foi dedicado à investigação de seus aspectos termodinâmicos e cinéticos. Essa pesquisa recente resultou em avanços que permitem um controle mais preciso do processo. Atualmente, é possível controlar especificamente a espessura e a composição das fases das camadas, otimizando o processo para atender às propriedades desejadas de acordo com exigências específicas.

Vantagens da nitretação a gás sobre outras variantes são:

• Controle preciso do potencial químico do nitrogênio na atmosfera de nitretação, controlando a taxa de fluxo de gás de nitrogênio e oxigênio.
• Efeito completo de nitretação (pode ser uma desvantagem em alguns casos, em comparação com a nitretação a plasma)
• Possibilidade de lotes grandes – o fator limitante é o tamanho do forno e o fluxo de gás
• Com o moderno controle computadorizado da atmosfera, os resultados da nitretação podem ser controlados de perto
• Custo de equipamento relativamente baixo – especialmente em comparação com plasma

As desvantagens da nitretação a gás são:

• Cinética de reação fortemente influenciada pela condição da superfície – uma superfície oleosa ou contaminada com fluidos de corte produzirá resultados ruins
• Às vezes, a ativação de superfície 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 tóxica, é prejudicial quando inalada em alta concentração. 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 de cianeto. Os sais utilizados podem também doar carbono para a superfície da peça, tornando o banho de sal um processo de nitrocarbonetação ou Carbo-Nitruração (Pt-Pt). Geralmente, a temperatura utilizada é típica de todos os processos de nitrocarbonetação: 550 a 570°C. Comumente, os sais usados são extremamente tóxicos, fazendo com que a utilização do processo caia em desuso.

As vantagens da nitretação de sal são:

• Tempo de processamento rápido. Geralmente na ordem de 4 horas ou mais para atingir a difusão desejada, enquanto outros métodos demoram mais.
• Operação simples – O banho de sal e as peças são aquecidos até a temperatura desejada e as peças ficam submersas por um determinado período de tempo.

As desvantagens são:

• Os sais utilizados são altamente tóxicos. O descarte é controlado por leis ambientais rigorosas nos países ocidentais. 
• Custo. Estas regulamentações aumentaram os custos envolvidos no uso de banhos de sal.
• Apenas um processo é possível com um determinado tipo de sal, uma vez que o potencial de azoto é definido pelo sal, apenas um tipo de processo é possível.

Nitretação a plasma

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

Na nitretação a plasma, a reatividade do meio de nitretação não se deve à temperatura, mas ao estado ionizado do gás. Nesta 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 denominado plasma, nomeando a técnica. O gás utilizado para a nitretação a plasma geralmente é o nitrogênio puro, pois não é necessária nenhuma decomposição espontânea (como é o caso da nitretação com amônia). Existem plasmas quentes tipificados por jatos de plasma usados para corte, soldagem, revestimento ou pulverização de metais. Existem também plasmas frios, geralmente gerados dentro de 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 rigoroso da microestrutura nitretada, permitindo a nitretação com ou sem formação de camada composta. Não só o desempenho das peças metálicas é melhorado, 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 significativamente aumentadas e a dureza superficial dos aços para ferramentas pode ser duplicada.

Uma peça nitretada a 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 por Bernhardt Berghaus, da Alemanha, que mais tarde se estabeleceu em Zurique para escapar da perseguição nazista. Após sua morte no final da década de 1960, o processo foi adquirido pelo Klockner group e popularizado globalmente.

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

Como os íons nitrogênio são disponibilizados por ionização, diferentemente do banho de gás ou de sal, a eficiência da nitretação a plasma não depende da temperatura. A nitretação a 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 a plasma, o gás nitrogênio (N₂) é geralmente o gás que transporta nitrogênio. Outros gases como hidrogênio ou argônio também são usados. Na verdade, o argônio e o H₂ podem ser utilizados antes do processo de nitretação durante o aquecimento das peças para limpar as superfícies a serem nitretadas. Este procedimento de limpeza remove eficazmente a camada de óxido das superfícies e pode remover finas camadas de solventes que possam permanecer. Isto 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 atingida a temperatura do processo, a nitretação propriamente dita começa com pequenas alterações de aquecimento. Para o processo de nitretação também é adicionado gás _H2 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 nitretáveis incluem as séries SAE 4100, 4300, 5100, 6100, 8600, 8700, 9300 e 9800, classes de aço de qualidade aeronáutica do Reino Unido BS 4S 106, BS 3S 132, 905M39 (EN41B), aços inoxidáveis, alguns aços para ferramentas ( H13 e P20, por exemplo) e certos ferros fundidos. Idealmente, os aços para nitretação devem estar na condição endurecidos e revenidos, exigindo que a nitretação ocorra a uma temperatura inferior à temperatura do último revenido. 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.

As ligas de nitretação são aços-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 superficiais 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 pensando na nitretação: os chamados aços de nitretação. A recepção na América foi menos impressionante. Com tão pouca procura, o processo foi largamente esquecido nos EUA. Após a Segunda Guerra Mundial, o processo foi reintroduzido na Europa. Muitas pesquisas ocorreram nas últimas décadas para compreender a termodinâmica e a cinética das reações envolvidas.

Ver também

• Cementação
• Carbonitretação

Leitura adicional

• Chatterjee-Fischer, Ruth (1995). Wärmebehandlung von Eisenwerkstoffen: Nitrieren und Nitrocarburieren (em alemão) 2nd ed. [S.l.]: Expert-Verlag. ISBN 3-8169-1092-0 
• Chattopadhyay, Ramnarayan (2004). «Plasma Nitriding». Advanced Thermally Assisted Surface Engineering Processes. Berlin: Springer. pp. 90–94. ISBN 1-4020-7696-7 
• Pye, David (2003). Practical Nitriding and Ferritic Nitrocarburizing. [S.l.]: ASM International. ISBN 978-0871707918 

• «MIL-S-6090A, Military Specification: Process for Steels Used In Aircraft Carburizing and Nitriding». United States Department of Defense. 7 de junho de 1971. Consultado em 20 de junho de 2012. Arquivado do original em 29 de agosto de 2019 
• An Introduction to Nitriding Arquivado em 2011-12-15 no Wayback Machine