O que é nitretação?

Base de nitretação

A nitretação é um processo de tratamento térmico que difunde nitrogênio na superfície de um metal para criar uma superfície endurecida. O nitrogênio adicionado aumenta a dureza e a resistência ao desgaste sem afetar significativamente as propriedades metalúrgicas do núcleo. Durante a nitretação, o metal é aquecido a 500-550°C em uma atmosfera rica em nitrogênio. O nitrogênio se difunde na superfície até 0.5 mm de profundidade e reage com elementos de liga como alumínio, vanádio e cromo para formar nitretos duros. Esses nitretos aumentam a dureza da superfície até 1300 HV, melhorando a resistência ao desgaste e à corrosão.

Finalidades da nitretação

A nitretação é usada para melhorar as propriedades da superfície dos metais para vários propósitos principais:

Aumentar a Dureza da Superfície

O objetivo principal da nitretação é aumentar a dureza superficial dos metais. O nitrogênio adicionado reage com elementos de liga para formar compostos de nitreto duro. Esta camada de difusão aumenta a dureza até 1300 HV, o que melhora a resistência ao desgaste e a capacidade de carga.

Melhorar a Força de Fadiga

A profundidade da caixa endurecida criada pela nitretação melhora a resistência à fadiga de componentes como engrenagens e eixos. As tensões compressivas formadas no caso nitretado aumentam a resistência à iniciação e propagação de trincas.

Aumentar a resistência à corrosão

A nitretação melhora a resistência à corrosão de duas maneiras. Primeiro, os compostos de nitreto são muito estáveis ​​e inertes. Em segundo lugar, a profundidade da camada criada pela nitretação garante que o material do núcleo permaneça inalterado se a camada superficial estiver desgastada.

Distorção Mínima

Ao contrário dos métodos de têmpera, a nitretação não requer resfriamento rápido da peça. Como resultado, a nitretação causa muito pouca distorção ou tensão residual, tornando-a adequada para componentes de alta precisão. As alterações dimensionais causadas pela nitretação são insignificantes.

Tipos de nitretação

Existem vários métodos principais e variações do processo de nitretação usados ​​na indústria:

• Nitretação de gás– Na nitretação a gás, a fonte de nitrogênio vem do gás amônia dissociado em nitrogênio e hidrogênio. O gás amônia é menos caro do que o gás nitrogênio puro. Os componentes são aquecidos a 500-590°C em uma retorta selada com fluxo controlado de amônia.
• Nitretação a Plasma- A nitretação a plasma usa descarga de plasma gerada por uma fonte de alimentação de alta tensão para criar íons de nitrogênio ativados. Isso permite uma difusão mais rápida em temperaturas mais baixas de 350-590°C. A nitretação a plasma oferece controle preciso sobre a profundidade da caixa.
• Nitretação em Banho de Sal- Na nitretação por banho de sais, a fonte de nitrogênio vem da dissociação de sais de cianeto como o NaCN. As peças são submersas no banho de sal de cianeto fundido mantido a 580-590°C. A nitretação em banho de sal pode atingir uma dureza de camada muito alta de até 1500 HV.
• Nitretação em Leito Fluidizado - A nitretação em leito fluidizado envolve a dissociação do gás amônia em um leito de pó de alumina fluidizado por fluxo de gás. Este método fornece excelente uniformidade de temperatura durante o tratamento.
• Outras Variações- Outras variações incluem nitrocarbonetação que adiciona carbono para formar carbonitretos, pós-oxidação para formar camadas de óxido preto e nitretação a baixa temperatura entre 350-380°C. Processos híbridos como nitrocarbonetação a plasma também são usados.

Materiais adequados para nitretação

A nitretação pode ser aplicada a uma variedade de ligas ferrosas e não ferrosas:

Aços de Baixo Carbono

Aços de baixa liga com menos de 0.25% de carbono são comumente nitretados para aumentar a dureza superficial e a resistência ao desgaste. O baixo teor de carbono reduz a formação de nitretos de ferro instáveis. Exemplos populares incluem os aços 1018, 4140 e 4340.

Aços Ferramenta

Aços para ferramentas, incluindo H13, P20 e D2, são ideais para nitretação devido à sua alta temperabilidade e teor de liga. A nitretação aumenta a dureza, a resistência e a vida útil das ferramentas para aplicações de trabalho a quente ou a frio.

Aços Inoxidáveis

Aços inoxidáveis ​​martensíticos e de endurecimento por precipitação, como 410, 416, 420 e 17-4PH, podem ser efetivamente nitretados para melhorar a resistência ao desgaste e à corrosão. Uma dureza de superfície de 1000-1400 HV pode ser alcançada.

Ligas de Alumínio

Certas ligas de alumínio contendo silício e magnésio podem ser nitretadas através de um processo chamado nitrocarbonetação. Isso difunde nitrogênio e carbono simultaneamente na liga.

Ligas de titânio

Ligas de titânio, incluindo Ti-6Al-4V, podem ser nitretadas por métodos de plasma. Isso cria uma camada superficial protetora de alta dureza sem afetar a ductilidade do núcleo e a tenacidade à fratura.

Outras ligas

Outros materiais como superligas à base de níquel, aços para ferramentas e ligas de cobalto também podem ser nitretados. Ambas as ligas ferrosas e não ferrosas com adições de liga suficientes para estabilizar os nitretos podem se beneficiar.

Equipamentos e Consumíveis para Nitretação

Os processos de nitretação utilizam fornos especializados, suprimentos de gás e equipamentos de monitoramento de temperatura:

• Fornos de Nitretação
  • Fornos estilo caixa ou gabinete com retortas estanques a gás e isolamento para nitretação a gás e plasma até 1000°F (590°C).
  • Fornos de banho de sal fundido para nitretação de banho de sal em torno de 1100°F (590°C).
  • Fornos de leito fluidizado contendo meios cerâmicos porosos para nitretação em leito fluidizado.
• Gás Nitrogênio
  • Gás nitrogênio de alta pureza como fonte para nitretação gasosa.
  • Gás de amônia que se dissocia em nitrogênio e hidrogênio para nitretação gasosa.
• Fontes de Alimentação
  • Fontes de alimentação CC de até 1000 V e classificação de corrente superior a 10,000 amperes para nitretação a plasma.
• Monitorização de temperatura
  • Termopares para monitorar a uniformidade da temperatura do forno.
  • Pirômetros para medir a temperatura da superfície dos componentes.
• Consumíveis
  • Sais de cianeto para nitretação em banho de sal.
  • Alumina em pó para nitretação em leito fluidizado.
  • Óleo temperado, soluções de limpeza, ferramentas, acessórios, etc.

O equipamento adequado é essencial para controlar a atmosfera de nitretação, a temperatura e a duração para obter propriedades e profundidade de revestimento repetíveis.

Processo de Nitretação

As principais etapas em um processo típico de nitretação são:

1. Limpeza
   1. Remova sujeira, óleo, graxa, óxidos e outros contaminantes da superfície do componente por meio de desengorduramento, limpeza alcalina ou decapagem ácida.
2. Carregando
   1. Carregue os componentes cuidadosamente em acessórios ou cestas para evitar contaminação e garantir a exposição adequada.
3. Aquecimento e Retenção
   1. Aqueça a uma taxa de 400-800°F/h (220-440°C/h) para atingir a temperatura de nitretação.
   2. Mantenha a temperatura de nitretação para permitir que as peças atinjam o equilíbrio térmico.
4. Nitretação
   1. Exponha as peças de trabalho a um ambiente rico em nitrogênio na temperatura de nitretação pelo tempo necessário para atingir a profundidade da caixa.
   2. O gás amônia se quebra em nitrogênio e hidrogênio. O plasma gera íons de nitrogênio. Os sais de cianeto liberam nitrogênio.
5. Têmpera
   1. Resfriamento rápido, como em óleo, para preservar a estrutura nitretada. Não é necessário para alguns processos.
6. Descarga e Limpeza
   1. Descarregue as peças de trabalho e remova quaisquer resíduos de óleo de têmpera ou sais por lavagem.
   2. Aplique pós-tratamento como retificação ou polimento.

O controle cuidadoso do processo é necessário para obter a profundidade de revestimento desejada, minimizar a distorção e garantir a formação da fase nitreto.

Aplicações Industriais de Nitretação

Alguns usos industriais comuns de nitretação em componentes mecânicos incluem:

Engrenagens

Engrenagens de liga de aço nitretado têm maior dureza superficial e resistência à fadiga. Usado em engrenagens de transmissão, engrenagens de came, engrenagens de anel, etc.

Rolamentos

A nitretação de pistas de rolamentos, corpos rolantes e superfícies de rolamentos melhora a resistência ao desgaste e a durabilidade sob carga cíclica.

virabrequins

A nitretação aumenta a resistência à fadiga dos filetes e mancais do virabrequim. Usado em motores automotivos e marítimos.

Pistons

Os pistões de alumínio fundido nitretado aumentam a resistência ao desgaste e ao desgaste adesivo contra as paredes do cilindro.

Válvulas

Desgaste aprimorado nas válvulas de admissão e escape de motores de combustão interna com faces e hastes de válvulas nitretadas.

Ferramentas de corte

Ferramentas de corte revestidas de aço rápido e metal duro tratadas com nitretação têm melhores taxas de remoção de metal e vida útil.

Matrizes e Moldes

Moldes e matrizes de aço nitretado para ferramentas para fundição, forjamento e estampagem apresentam maior durabilidade e desempenho.

Outros usos

Comum em vasos de pressão, eixos, cilindros, cames, fixadores, atuadores e componentes de energia fluida.

O aumento da dureza superficial, resistência ao desgaste, resistência à fadiga e resistência à corrosão tornam a nitretação ideal para peças mecânicas críticas.

Nitretação em Joias e Acessórios

Embora menos comum do que os usos industriais, a nitretação tem algumas aplicações de nicho em joias e acessórios de moda:

Acabamento de superfície aprimorado

A nitretação pode fornecer um acabamento de superfície suave e uniforme em componentes metálicos de joias, como anéis, pulseiras e caixas de relógios. Isso reduz a necessidade de polimento secundário.

Resistência à Corrosão Aprimorada

A camada nitretada melhora a resistência à corrosão de peças de joalheria expostas à umidade, como anéis, pulseiras, correntes e pulseiras de relógio de metal.

Revestimentos pretos decorativos

O escurecimento seletivo de superfícies gravadas por nitretação de aço inoxidável ou titânio pode fornecer padrões decorativos e detalhes em joias.

Superfícies endurecidas

Maior resistência ao desgaste para itens de joalheria de alto uso, como anéis masculinos e pulseiras de metal para relógios, por meio do endurecimento da superfície.

Economia de Custos

Em certos metais, a nitretação pode fornecer benefícios de desempenho em relação à galvanização ou revestimentos PVD por um custo menor.

Percepção do cliente

Algumas marcas de luxo usam nitretação para obter os benefícios percebidos da tecnologia e do acabamento da superfície.

Embora não seja tão prevalente quanto nas indústrias de manufatura, a nitretação pode fornecer vantagens funcionais e estéticas para aplicações de joias selecionadas. O controle adequado é necessário para manter a aparência dos metais das joias.

Comparação com outros processos de endurecimento de superfície

A nitretação difere de outros processos comuns de endurecimento de superfície de várias maneiras:

Carburação

A cementação difunde carbono em vez de nitrogênio na superfície do aço. Ele cria um caso martensítico mais difícil, mas menos estável. A nitretação fornece melhor resistência à corrosão.

Nitrocarburização

A nitrocarbonetação adiciona nitrogênio e carbono simultaneamente. O caso de carbonitreto combinado pode oferecer vantagens sobre qualquer um deles sozinho.

Endurecimento por Indução

O endurecimento por indução aquece rapidamente e resfria a superfície por meio de indução eletromagnética. A nitretação fornece profundidade de caixa mais profunda e menos distorção.

Endurecimento por chama

Com o endurecimento por chama, as tochas de oxi-combustível aquecem rapidamente a superfície antes da têmpera. A nitretação pode endurecer geometrias complexas de forma mais eficaz.

Deposição de Filme Duro

Técnicas de deposição de filme duro como PVD, CVD e revestimentos termicamente pulverizados depositam um fino revestimento de cerâmica na superfície. A nitretação difunde o nitrogênio no próprio substrato de metal para melhor adesão e resistência à fadiga. No entanto, os revestimentos podem fornecer benefícios adicionais, como isolamento ou resistência a altas temperaturas.