Nitretação

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CENTRO DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA PAULA SOUZA FACULDADE DE TECNOLOGIA DE MAUÁ TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS NITRETAÇÃO WESLEY ANTONIO MIGUEL, 0911186 INTRODUÇÃO A tecnologia destinada à melhoria das propriedades mecânicas dos materiais, exigida pela inovação industrial e aplicações cada vez mais abrangentes, obteve um salto com o aperfeiçoamento das técnicas de tratamento térmico. Na elaboração de um projeto, há a necessidade fundamental de se caracterizar as condições de trabalho que possam gerar esforços e identificar as respostas dos materiais aplicados. Por questões de custo, fabricação e viabilidade, materiais que respondem ao processo de forma insatisfatória são diretamente enviados para tratamentos que possam alterar sua composição química superficial, de forma que os mesmos elevem suas propriedades tornando-se aplicáveis para os objetivos propostos. Este trabalho objetiva a identificação das principais melhorias que os tratamentos térmicos proporcionam, enfocando a técnica de Nitretação. TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS Os tratamentos termoquímicos, conceitualmente, combinam a ação do calor com a ação química para modificar parcialmente a composição natural do material ou através de alterações nas estruturas superficiais, obtendo-se pequenas camadas enriquecidas, ou até mesmo todo o volume de uma peça com um elemento metálico ou não metálico (UFSC); A aplicação do tratamento térmico torna-se altamente eficaz quando há a necessidade da utilização de materiais com propriedades elevadas como o aumento da dureza, da resistência, da tenacidade, da oxidação e do desgaste. Com a vantagem de manter a ductilidade interior do material tratado sem sofrer alterações, mesmo garantindo uma resistência ao desgaste melhor, materiais que sofrem constantes solicitações mecânicas como engrenagens, mancais e eixos passam por diferentes tratamentos termoquímicos. Há o revestimento dos materiais por disposição de camadas por vapor, de recobrimento metálico ou até mesmo métodos de endurecimento seletivos, como o endurecimento por chama ou por indução. No entanto, discutiremos os tratamentos difusivos que se caracterizam pela disposição de elementos químicos na superfície do material. Os tratamentos difusivos que incluem a cementação, a nitretação, a carbonitretação, a nitrocementação, e a boretação baseiam-se na modificação química da superfície e necessitam do calor para difundir (espalhar) os elementos químicos que constituem o tratamento utilizado (Carbono, Nitrogênio ou Boro). A nitretação, como exemplo, é uma das técnicas mais utilizadas por possuir um custo viável e vantagens competitivas com a cementação, como um teor de dureza alcançado superior que comparado com a cementação. NITRETAÇÃO A nitretação é um tratamento termoquímico que possibilita a alteração das propriedades naturais dos materiais que é aplicada. A dureza superficial, o desgaste a corrosão e a resistência térmica são modificadas quando o nitrogênio é introduzido na fase ferrita em temperaturas pouco elevadas (entre 500 e 570 °C) o que não gera a mudança de fase com o resfriamento. As técnicas de introdução do nitrogênio variam com a ordem de importância no tratamento de metais ferrosos, refratários e, atualmente, de Alumínio. A nitretação gasosa é o processo utilizado mais comum, patenteado por Adolph Machlet, a reação baseia-se no contato do aço com a amônia (NH3), onde a mesma se dissocia liberando nitrogênio atômico (N2) que é absorvida pelo aço e dissolvida entre os átomos de Ferro (Fe), o que gera o crescimento do material. A formação das camadas de nitretos, que alcançam até 0,7mm, costuma levar até 90 horas para se dispor. Os aços mais cotados para aplicação da nitretação gasosa são aqueles que contem Alumínio (de 0,85 a 1,50%) e aços com Cromo Figura 1 - Absorção de Amônia Dissociada [THELNING] 4140. No entanto, a nitretação gasosa é limitada para ser aplicada em aços carbonos, já que os mesmos apresentam camada composta e quebradiça. A solução encontrada para sanar esse problema foi o desenvolvimento da nitretação liquida que consiste na colocação do aço é em meio liquido de cianeto fundido em temperaturas semelhantes a da nitretação gasosa (550 à 570°C). Não há dissociação do Carbono o que favorece a formação de poros e a diminuição do tempo de processamento, no entanto, há a formação de gases altamente poluentes e tóxicos. Nos processos convencionais, existe a necessidade de um determinado tempo para que a concentração do nitrogênio na superfície seja elevada o suficiente para ocorrer precipitação de nitretos, que só se formam a partir da elevação da temperatura. Os aços mais utilizados para a nitretação são os que contem Alumínio (camada com alta dureza), com Molibdênio, Vanádio e até 3,5% de Cromo (camada com boa dureza) e aços de baixa liga de Cromo e Molibdênio (1% e 0,2%, respectivamente) – camadas com menor dureza. Figura 2 - Diagrama de Lehrer Nos últimos anos, o progresso na tecnologia utilizada proporcionou o desenvolvimento da nitretação a vácuo e métodos de implantação iônica. Alguns problemas processuais puderam ser resolvidos com essa técnica como a distorção dimensional temperatura Figura 3 - Energia livre de formação de nitretos. requerida, e já a baixa que o processo é realizado a vácuo. A obtenção de melhores propriedades como maior dureza e melhor acabamento são justificados pela solução de nitrogênio solido intersticial, o que gera a dureza levemente superior a matriz. As camadas quebradiças geradas pela nitretação gasosa também são substituídas pela camada densa, homogênea, dura, não porosa nem quebradiça, e com baixo coeficiente de atrito, até mesmo em peças complexas, da nitretação a plasma, o que causa ótima resistência ao desgaste. Figura 4 - Esquema da aparelhagem de Nitretação a plasma Chega-se a conclusão que a nitretação, por ser uma técnica de tratamento termoquímico relativamente simples e que proporciona uma vasta lista de vantagens, pode ser aplicada a diversos materiais em que se necessita a melhoria de suas propriedades. O desenvolvimento da tecnologia do processo de nitretação levou a concluir que aços que possuíam em sua composição ligas de Alumínio, Cromo, Molibdênio ou Vanádio, tinham a formação de nitretos estáveis a temperatura ambiente. Esses aços foram denominados Nitralloy e sua aplicação tornou-se corriqueira no dia a dia industrial. As ligas de de 0, a 0,45% de Carbono conferem ao aço suporte adequado a camada nitretada dura e muito fina. Enquanto as ligas de Alumínio e Cromo (0,85 a 1,2% e 0,9 a 1,8%, respectivamente) são elementos que favorecem a formação de nitretos proporcionalmente a sua quantidade, ou seja, quanto maior a quantidade dos elementos descritos dissolvidos na ferrita, mais fácil a difusão do nitrogênio e maios a camada formada. Já a adição de Níquel (de 3,25% a 3,75%) gera a formação de um núcleo de dureza elevada. Elemento Nitretos que se formam (com amônia) Efeito sobre o endurecimento superficial Manganês Mn3N5 Quase nulo Níquel - Sozinho, nulo Cromo Cr2N, CrN Forte Alumínio Al3N3 Molibdênio - Tungstênio Nenhum Titânio TiN Zircônio ZrN (Zr3N2) Vanádio VN Silício Si2N3 Muito forte Medíocre; junto com o cromo, mais forte (aumenta a penetração) Nulo Bastante forte máximo com o Cr Idem Medíocre ou fraco; entretanto, é notável nos aços contendo Cr e Al. Quase nulo Tabela 1 - Influência das ligas na formação de Nitretos Os aços-carbono não apresentam vantagem de nitretação devido à formação de nitreto de ferro que mesmo duro, apresenta alta fragilidade. O aço com cromo apresenta o mesmo problema além de apresentar uma camada mais frágil do que a nitretação do mesmo material na presença de liga de Alumínio. Os pré-requisitos de um material a ser nitretado é que ele possua composição determinada e estrutura adequada, como a sorbítica. A presença na superfície do aço de carbonetos em emulsão na ferrita colabora com a formação da camada nitretada, o que faz que a mesma adquira ótima tenacidade. Os materiais são recozidos, temperados, revenidos, usinados e Figura 5 - Estrutura Sorbítica então nitretados, até mesmo os aços inoxidáveis são nitretados para aumentar sua resistencia superficial ao desgaste e prevenção do engripamento. Aços nitretados são largamente aplicados na indústria aeronáutica e automotiva como em eixos, pinos, rotores, válvulas de turbina, engrenagens, etc, já que os teores elevados de Níquel e Cromo possuem alta resistência ao vapor superaquecido, aos combustíveis fósseis e a corrosão por ácido nítrico concentrado, resultado dos resíduos das reações que esses materiais comportam. BIBLIOGRAFIA http://www.materiais.ufsc.br/lcm/TratTermoquimicosSuperficiais.pdf http://www.ifi.unicamp.br/~alvarez/Plasma-LIITS/introducao_a_nitretacao.htm http://www.inforgel.com.br/si/site/0910