Nitretação a Plasma

A indústria metal-mecânica demanda permanentemente aços com propriedades mecânicas e tribológicas cada vez mais exigentes, combinando baixos custos e melhor desempenho. Para lograr este compromisso, a nitretação é normalmente usada, uma vez que é possível aprimorar consideravelmente a dureza superficial, diminuindo o atrito dos materiais e aumentar a resistência a corrosão. O processo de nitretação a plasma envolve um complexo conjunto de fenômenos que são mostrados no modelo da Figura 1. O plasma está constituído por um gás, parcialmente ionizado, contendo iôns e elétrons em equilíbrio dinâmico, sendo que o sistema mantém a neutralidade globalmente. Os iôns são acelerados na direção do material devido à aplicação de um campo elétrico negativo nas peças a serem tratadas. Após implantação, estes iôns neutralizam-se e penetram por difusão térmica no corpo do material. E importante salientar que a presença de oxigênio (em geral ar residual) deve ser controlada para permitir uma boa formação da camada nitretada. [Vide Bibliografia]
Diferentemente de outras técnicas, tais como nitretação gasosa e banhos de sais, a nitretação a plasma permite um controle apurado das espécies precursoras do processo resultando em um produto de alta qualidade.

 


Figura 1. Esquema do processo de nitretação a plasma.

 


A METALURGIA DA NITRETAÇÃO.

Como exemplo de nitretação mostramos resultados obtidos em dois tipos de aços. Um aço de “baixa liga” tipo 4140 (composição típica: C%: 0.4; Si%: 0.25, Cr%: 1.0; Mo%: 0.20) e um aço inox (316). Lembremos que o carbono forma compostos intersticiais com o Fe formando as fases g (austenita cúbica centrada nas fases, ccf) e a  (ferrita, cúbica centrada no corpo, ccc), e cementita, Fe3C ortorrômbica (cúbica esticada em um de seus eixos). Dependendo da aplicação, camadas nitretadas de até aproximadamente 1-3 mm de profundidade satisfazem as necessidades exigidas. A camada nitretada é geralmente composta por duas fases metalúrgicas. Na Figura 2, direita, está representada o difratograma destes aços nitretados a plasma. Para efeitos de comparação, os difratogramas dos materiais sem tratamento são mostrados. Este diagrama mostra claramente o efeito da incorporação do nitrogênio, uma vez que a posição dos picos de difração de raios x está determinada pela distância entre planos cristalinos do material, i.e., sua estrutura cristalina. No caso do SS 316, devido ao nitrogênio os picos da fase g (ccf) se deslocam, expandindo a rede cristalina, sem formação de novas fases e originando o material chamado “gama linha” (g´). Por outro lado, a fase a (ccc) do aço 4140 muda para uma mistura entre a fase epsilon (e , Fe2-3N, hcp, hexagonal close-packed) e a componente g´.

 

Figura 2. – Esquerda: micrografia de uma amostra de aço 4140 nitretada. A espessura da parte mais externa, chamada camada “branca” por seu aspecto na microscopia de elétrons, varia de acordo as exigências entre 3 e 20 m m. A foto mostra claramente os componentes da camada nitretada formadas pela camada branca (e e g´), a zona de difusão (g e a) e o núcleo (a) do material. A foto foi obtida por microscopia de varredura de elétrons sendo que o revelado do perfil nitretado mediante polimento é posterior ataque químico (Nital 1.5%). Direita: diagramas de difração de raios X rasante comparando os dois sistemas (aço 4140 e inox 316) nas mesmas condições de implantação

A nitretação a plasma facilita o controle apurado tanto da espessura como da composição da camada tratada. O PLASMATEC 180 e o PLASMATEC 450 permitem, mediante programação via PLC, controlar a temperatura e tempo do processo, determinando assim a espessura da camada nitretada. Programando ainda as misturas de gases usadas durante o processo, é possível controlar a composição da camada branca e a difundida assim como sua espessura e composição. Esta flexibilidade permite, por exemplo, obter praticamente só camada branca de espessuras controladas em caso de aplicações especiais, onde menor atrito é exigido. A dureza de uma amostra 4140 nitretada pode ser observada na Figura 3. O efeito do nitrogênio na microestrutura é mostrada na micrografia do material após ataque químico (Figura 3, painel superior).

 

Figura 3. Painel superior: Microscopia de elétrons nitretado. Aumento x 2500. Observa-se a camada branca na parte superior (5 mm), a camada difundida contendo “agulhas”, é imediatamente núcleo do material. Painel inferior: Perfil de dureza antes e depois de nitretar.


Figura 4 – Perfil de dureza de amostras nitretadas e carbonitretadas. 
A profundidade de difusão e indicada a HV (Núcleo) + 50.

A figura 4 mostra perfieis de amostras de aço 4140 nitretadas durante diferentes tempos e a 500 °C. Com o objetivo de comparação, o perfil de duas amostras carbonitretadas típicas (máxima e mínima) a 900 °C são incluídas no gráfico. 


 E importante acrescentar que cada aplicação requiere de um tratamento especifico de nitretação devido as carateristicas do aço e tratamento térmico previo característico do material base. O apurado controle da camada branca e da camada difundida na nitretação a plasma posibilita um resultado adequado a cada uso. A figura 5 amostra as propriedades mecânicas e químicas das fases nitretadas como uma função da composição, indicando as possiveis aplicações, tais como moldes, matrizes e ferramentas de corte. Um exemplo interessante encontramos nos moldes e matrizes que devem ser  recuperados após desgaste pelo uso, sendo necessario re-trabalho e a solda para sua recuperação. A invitavel presença da camada branca formada nos processos de nitretação a sal é , em geral, a gas, impossibilitam sua recuperação devido ao fato que a camada branca está constituída pelos compostos e-Fe2-3N e g‘-Fe4N compostos tipo cerâmicos (não metálico) de dificil soldabilidade . Portanto, evitar a camada branca e formar uma camada difundida continua tendo seu carater metalico, faclitando a susa soldabilidade.

  Figura 5. Diagrama  de fase do sistema Fe-N

A tenacidade das ferramentas e outro tipo de propriedade procurada em muitas aplicações e portanto evitar a formação da camada branca e um objetivo importante. A dureza e tenacidade da camada difundida obtida por precipitados micro e nanoscopicos nas bordas dos grãos sem formação de camada branca, então, e recomendada para situações onde as solicitações correspondem a cargas dinamicas e alto stress compressivo. Aos efeitos de comparação, a tabela 1  compara as técnicas de nitretação a plasma e a gas .

Plasma
Gás
Temperatura 350-550 0C
520-550 0C
Ausência o diminuição de rugosidade
Incremento rugosidade
Aplicável a todo tipo aço
Não útil para aços de alta liga
Fácil seleção da área não nitretavel
Dificultoso
Fácil soldabilidade
Dificultoso
Apurado controle da CB*
Produze CB* quebradiça => re-trabalho
Tempos de tratamentos menores
Maiores tempos
Mínimo consumo de gases
Alto
N2, H2, Ar
Amônia: corrosivo, tóxico
Alta reprodutibilidade
Dificultoso
Limpeza por sputtering no processo
Não se aplica
Controle do hidrogênio incorporado
Pouco controle
Oxidação in situ (Magnetita,Fe3O4)

 Não se aplica

* CB=Camada Branca

Tabela 1

Carburização e Oxidação

O processo de nitretação permite, mediante o uso combinado de H2, N2 e um gás contendo carbono (normalmente CH4) a carburização das peças. A proporção da mistura a usar depende do material a tratar e pode variar de algumas percentagens de N2 (~4-5 %) quando uma zona de difusão é requerida até 90-95 % N2 e quando é requerida uma camada branca grossa. O carbono, devido à baixa temperatura, não difunde profundamente ficando nas camadas superficiais. Finalmente, ao concluir o processo de nitretação é possível oxidar a superfície mediante a introdução de oxigênio formando assim, uma camada externa composta por Fe3O4, melhorando sua resistência a corrosão e desgaste, dando um acabamento negro atrativo.

 

 

   

    Esquerda: Punções de aço H10 nitretados e oxidados no mesmo processo imediatamente após da nitreatção . A cor preta e carateristico da formação de magnetita (F3O4) material com baixo atrito e resistença acorrosão. Direita: Molde para injeçaõ de aluminio, nitretado e oxidado (magnmetita)

 

Benefícios da Técnica

A nitretação é um procedimento usado normalmente para o tratamento de superfícies metálicas, aumentando sua dureza, resistência à corrosão, fadiga, desgaste e diminuindo o atrito pela incorporação de átomos de nitrogênio na estrutura do material. A nitretação à plasma pulsado é realizada a temperaturas relativamente baixas (~550 °C) e representa uma nova alternativa aos processos convencionais. A técnica é limpa, segura e relativamente simple de usar, sendo cada vez mais comum em aplicações industriais envolvendo nitretação de aços carbono, ligas, materiais sinterizados, podendo, inclusive, ser combinada com carburização, oxidação, e à formação de filmes finos tais como nitreto de titânio. Algumas das principais aplicações são nitretação de ferramentas de corte, peças sinteterizadas, eixos, matrizes e estampas. Algumas das vantagens do processo são:

– Incremento de vida útil das peças tratadas
– Mínima alteração dimensional das peças
– Boa penetração do plasma em orifícios permitindo nitretação       uniforme
– Bom controle da uniformidade da espessura e qualidade da  camada nitretada


– Redução de uso de gases
– Processo reproduzível
– Redução do custo de manufatura, eliminando operações de retífica e usinagem para correção de deformações estruturais
– Eliminação da agressão ambiental uma vez que o processo de nitretação com plasma trabalha com gás H2 e N2, suprimindo o uso de gases corrosivos poluentes e de difícil manuseio
– Economia de energia elétrica

Finalmente, devemos considerar que as técnicas usando amônia devem atender normas criticas de seguranza. A amônia é um gas irritante as mucosas, pele, pulmões e garganta, sendo inflamável (15-28% limite concentração em ar) e a presença de outros combustíveis o potencia perigosamente, sendo inflamável  é explosivo (vide tabela 2). A nitretação a plasma, por outro lado, usa gases amigavels com o medio ambiente sem nenhum perigo na sua manipulação.

Concentração, ppm Efeito Geral Exposição
50-53 Cheiro Detectável Não produze efeitos permanentes a súde
300 Máxima Concentração Detectavel Máxima exposição de uma hora
5000-10000 Espasmos respiratórios e afixia rápida Exposição não permitida: fatal


Tabela 2

Plantas de Nitretação Iônica

 

 Esquerda: Vista geral das plantas de nitretação iônica operando no Laboratório LIITS da Unicamp. Direita: Conjunto de dois fornos para nitretação iônica

As figuras mostram uma vista geral da planta de nitretação iônica do Laboratório de Implantação Iônica e Tratamento de Superfícies (Plasma LIITS) da UNICAMP. Esquerda:  forno de vácuo e gabinete de controle de gases e pressão, painel de comando do forno,  fonte de plasma e o armário do controlador lógico programável. Direita: conjunto de fornos para nitretação iônica.

A planta de nitretação, concebida de acordo com o mais avançado da técnica, opera em forma automática controlada por um PLC (controlador lógico programável) ligado a um micro-computador.

No vídeo se observa o operador interagindo com os controles do PLASMATEC180. O filme mostra o forno no processo automático de abertura.