A Arte da Nitretação




           A Arte da
           Nitretação
                                João Carmo Vendramim, Eng.MSc

                                  www.vendramim.blogspot.com

Universidade Mackenzie - 2011
A Arte da Nitretação

 João Carmo Vendramim


 Eng.Metalurgista – E E Mauá
 Mestrado Fem-Unicamp – 2003: “Efeito da nitretação na resistência à fadiga de
 arame de aço CrSiV para mola da indústria automotiva”
 Experiência industrial: Brasimet; Aços Boehler; Aços Villares; Nitrex Metals
 (Canadá); Combustol
 Projetos de nitretação: CNPq (Bolsista Rhae – Eaton Transmission) - Fapesp
 (construção de reator nitretação iônica - Instituto de Física Unicamp)
 Prêmios: SAE 2000; ABM-2004


 Atividade atual: Sócio-Diretor da empresa Isoflama < www.isoflama.com.br >



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A Arte da Nitretação

Engenharia de Superfície: Processos de Degradação
                   da Superficie

   • Químicos : ácidos, sais, gases, ...
   • Térmicos: altas temperaturas; oxidação; ….
   • Atmosférica: umidade; chuva; água do mar
   • Mecânica: abrasão, erosão, adesão, etc….




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          Engenharia de Superficie – Objetivo

                   Modificar a superficie de um
             componente (liga ferrosa) para
          promover propriedades superficiais
                    diferentes das do núcleo


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   Nitretação
   Processo de modificação de superfícies de ligas
   ferrosas mediante a difusão de átomos de
   Nitrogênio com vistas a melhorar as propriedades
   desta em relação ao núcleo

   Cianetos, Cianatos, Amônia Dissociada Cataliticamente e
   Plasma são diferentes meios de transporte do nitrogênio
   atômico para a superfície da liga ferrosa



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       Etapas do Tratamento de Superfície

               Seleção do Melhor Processo Térmico
                          Preparação / Limpeza
       Seleção e Controle de Parâmetros de Processo
                           Térmico
                     Manipulação / Manutenção



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      Benefícios do Tratamento de Superfície

     • Melhorar Propriedades em Serviço
     • Incrementar “Tempo de Vida” em
        Trabalho
     • Economia de Produção



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              Tipos de Tratamentos Superficiais
   1. Adicionar camadas de material ao substrato
          Ex.: PVD / CVD, Spray térmicos, ...

   2. Modificar a superfície sem alteração química do substrato
          Ex.:: Têmpera Indução, “Shot Peening”, ...

   3. Modificação da superfície pela alteração da constituição do
   substrato
            Tratamentos Termoquímicos de Difusão
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       Tratamentos Termoquímicos de Difusão

              Cementação / Carbonitretação: …..


Nitretação / Nitrocarbonetação:
  …….......
                        Boretação:………

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                   O que é a Nitretação?
  Processo de enriquecimento com nitrogênio
       para a superfície de ligas ferrosas

               O que forma na superfície?
    Camada de nitretos e nitrogênio dissolvidos na
    matriz ferrítica até uma profundidade que pode
                   alcançar 1,00 milímetro



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     Proposta do tratamento termoquímico de
                      Nitretação

        •   Aumentar a Dureza na Superfície;
        • Aumentar a Resistência ao Desgaste;
        • Aumentar a Resistência a Corrosão;
        • Melhorar a Resistência à Fadiga (alto
            ciclo / térmica)


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                (breve)    História da
                          Nitretação

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     Nitretação – Evolução

   • Nitretação Gás Convencional (s/controle PN) - 1918
   • Nitretação Iônica (1939)
   • Nitretação em Banho de Sal (1953)
   • Nitretação Gás (c/controle PN) – 1985
   • Nitretação Iônica (Plasma Pulsado) - 1985



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1920’s - Implementação industrial - Krupp

       • Somente NH3
       • Tempo de Processo ~ 70 a 120 horas

       • Apenas um tipo de aço: NITRALLOY
       • Camadas nitretadas muito frágeis



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1950’s -Início da Nitretação Banho de Sal (líquida)

     • Processo de curta duração: 3-12 horas
     • Aquecimento / Resfriamento … rápido
     • Sem controle de processo (apenas do sal)
     • Temperatura > 550ºC
     • Aço carbono & Aços baixa liga
     • Problemas Ambientais & Saúde

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      Forno
     Nitretação
    Banho de Sal

 4NaCN + 2O2 
 4NaCNO
 8NaCNO  2Na2CO3 +
 4NaCN + CO2 + C + 4N



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          1970’s -              Processo Gás

   • Desenvolvimento processo com mistura de
     gases: (NH3 / N2 , NH3 / dNH3 , NH3 / C-Gas)

      •   Multiplos Estágios (ciclos curtos)
      • Tradicional – sem controle PN


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   1980’s - Gás (Controle e Automático)

      • Desenvolvimento processo com mistura de
        gases: (NH3 / N2 , NH3 / dNH3 , NH3 / C-Gas)

      •   Multiplos Estágios
      • Moderno: com controle, e automático, do
          Potencial de Nitrogênio (KN)


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 Reações Químicas na superfície do aço – Nitretação Gás NH3




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Mecanismos de Nitretação / Nitrocarbonetação a Gás
                                                      H
                                                                  Atmosphere
                                                     N
                           H
                                           H               H                                             O                                       O
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                           N                                                                                      C                O
                    H          H                 H


                                                N                                O   C           O




                                                                                                                      Adsorption
                                           H               H




                                               Adsortion




                                                                                     Adsortion
                                                                                                                                                         O
                                   N                                                                                                                         O
                                                      H                                   H      H       O                               H   H       O
           N N   Recomb.                                       Recomb.   H   H                                            C                                      O
                                                      H
                                   N
                                                                                                                                       Adsorption layer
                               Diffusion




                                                                                                                           Diffusion
                                                                             Steel

           N N   Recomb.           N                                                                                      C
                               Diffusion




                                                                                                                           Diffusion

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 Equipamento de Nitretação a Gás com Controle e
                  Automático




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 1980’s- Nitretação Iônica de Plasma Pulsado

  • 1930’s – Primeiro experimento técnológico
  •   Limpeza
  •   Simples / fácil proteção (máscara, ou tinta)
  •   Baixo consumo de gás e energia eletrica
  •   Ativação pelo efeito “cathode sputtering”

  • Composição de carga – ocupação
  • Automático – operador bem treinado

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            Forno Nitretação Iônica de Plasma Pulsado




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    Mecanimos da nitretação iônica por plasma pulsado




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             Plasma no interior do reator de nitretação iônica




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     A tecnologia de nitretação iônica por plasma pode ser
         aplicada para quaisquer tipos de ligas ferrosas

•   Aços Carbono;
•   Aço Construção Mecânica;
•   Aço Trabalho a Quente;
•   Aço Trabalho a Frio;
•   Aço Rápido
•   Aços Inoxidáveis: martensíticos e austeníticos;
•   Ferro Sinterizado
•   Ferro Fundido
•   Ligas especiais (Titânio)
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  Isoflama: 2 reatores de dimensões úteis 900 x 1600 mm;
  Capacidade: até 2000 Kg




                                       Foto do interior do forno
                                        com peças e plasma




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    Prerequisitos para uma boa nitretação
1. Tratamento térmico anterior do aço da peça:
   parâmetros de têmpera e revenimentos utilizados
2. Superfície isenta de “camada branca” de eletroerosão;
3. Peça nas dimensões finais;
4. Peça limpa: superfície, canais, furos, etc...;
5. Superfície polida sem a utilização de pasta de diamante
   à base de silicone (mandatório!);
6. Peça sem tampas em: Al, Cu e polímeros
7. Peças não montadas
8. Peças limpas

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Caracterização da Camada Nitretada em superfície de aço tipo AISI H13




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    Mecanismos e Princípios
       de Nitretação



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A primeira Lei de Fick de difusão expressa pela fórmula


                                   dc
                      c=         D
                                   dx
                    D - Coeficiente de difusão;
                    c – Concentração
                    x - Distância


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A segunda Lei de Fick de difusão expressa pela
                   fórmula


 c =  D.  c = D                                      2c

t x      x      x2      (                )
                            t   - Tempo
                            X - Distancia


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          A profundidade de camada pode ser
          determinada pela equação de Harris


                      C=kt
     C – profundidade camada;

     t – tempo; e

     k - é um coeficiente dependente de vários fatores, tais como
         material, temperatura e concentração máxima do elemento de
         difusão

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     Coeficiente de difusão: conteúdo em carbono / várias
                         temperaturas




                                Fonte: Nitrex technical process. 2000
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                                                    Diagrama de Equilíbrio Fe-N
                                                       Fe-N Equilibrium Phase Diagram
   °C
   1000
                              5                                 10                              15                           20                                     25



          912°C

   900

                       C u r ie T e m p er a tu r e 7 7 0 ° C




   800
                                                           ?


                           γ -F e                                                                    ?

                                                                                                                            680 + 5°C
   700
                                                                                650°C


              α -F e
                                                    2 .8
                                                                                                                                                                ε
                                                                                                         4 .5 5

   600




                                                                                                                               γ´
                                                    2 .3 5                      590°C




   500    α                                         α + γ´
                                                                                                                               γ   1

                                                                                                                                                                             ε
   400
                                   ~ 4 9 0 ° C (C u r ie T e m p e r a tu r e ) o f γ 1
                                                                                                     5 .7 % a t 4 5 0 ° C
                                                                                                                                            γ´ + ε
                                                                                                                                             6 .1 % a t 4 5 0 ° C



                   1                         2                        3                     4                      5                    6               7                8

                                                                                W e ig h t P e rc e n ta g e N itro g e n
                                                                                                       Fonte: Nitrex technical process. 2000
                                                                                   Fonte: Nitrex technical process. 2000
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A Arte da Nitretação
  °C
  1000
                         5                        10                   15                    20                            25



             912°C

  900
                     Curie Temperature 770°C




  800
                                              ?


                         γ-Fe                                               ?

  700
                                                                                            680+5°C                                                       Fe-N
                                                           650°C


                 α-Fe
                                        2.8

                                                                                4.55
                                                                                                                       ε                       Equilibrium Phase Diagram
  600

                                        2.35               590°C


                                                                                                  γ1
  500

                             ~ 490°C (Curie Temperature) of γ1
                                                                            5.7% at 450°C                  6.1% at 450°C

  400
                     1             2                   3           4                   5               6          7             8

                                                           Weight Percentage Nitrogen

                                                                                                                                    Nitrogen Concentration
                                                                                                                                                             At temperature   Furnace cooling

                                                                                                                                                                                           ε
                                                                                                                                                                   ε           ε+γ'
                                                                                                                                                                                      γ'
  Distance




                                                                                                                                                                  γ'

                                                                                                                                                                                   α+γ'


                                                                                                                                                                   α                  α




                                                                                                                                            Fonte: Nitrex technical process. 2000
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A Arte da Nitretação

     Arranjo cristalino das fases
          na camada nitretada




                               γ´ - Fe4N                      - Fe2,3N
                                            Fonte: Nitrex technical process. 2000

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A Arte da Nitretação
       Descrição das Fases formadas na Nitretação




                                Fonte: Nitretação Iônica por Plasma – Figueroa, C. 2005
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A Arte da Nitretação
                Metalografia das fases formadas na camada nitretada



                                    Suporte em Cobre /
                                    Níquel
             Camada e
             óxido                    Zona porosa

                                     Camada Branca




                                Zona de Difusão




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A Arte da Nitretação

         Composição de Fases no aço 1020 Nitretado


                                            Revestimento Ni-
                                               químico para
                                                    suporte

     ~80% -fase
         (porosa)


         Núcleo +
 ‘ precipitados                           20%    ‘-fase



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A Arte da Nitretação

   Condução do Ciclo de Nitretação
                                NITRETAÇÃO

                                (400-600ºC)


                  Nucleação
                  (Ativação)
                                               Pós-oxidação
                  (300-500ºC)                  (400-550ºC)




   Purga (N2)



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A Arte da Nitretação
 Configuração da camada nitretada na liga ferrosa
                                Camada Óxido
                                     Camada Branca, Fe2-3N, Fe4N
NHT = DN + 50 HV0,5
                                                Zona Difusão   Substrato




                       1-3µ      1 - 30 µ        10-1000 µ
                                                                      x

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A Arte da Nitretação
    Microestrutura da Camada Nitretada formada
                   no Aço Carbono




                                 Fonte: Nitrex technical process. 2000

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A Arte da Nitretação
       Microestrutura da Camada Nitretada emAços
                           Ligados




                                 Fonte: Nitrex technical process. 2000

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A Arte da Nitretação


     KN Potencial de Nitrogênio
  Determina a quantidade termodinâmica da concentração
      de nitrogênio em equilíbrio na superfície do aço. Essa
    concentração não poderá ser excedid para uma dada
                                temperatura




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A Arte da Nitretação
          KN-T Diagrama Equilíbrio (Lehrer / Maldzinski)
                                             700               600                  550            500            450        400                      o
                                                                                                                                                          C
                                  1 .5                                                                                                                               3 1 .6

                                                                                                                                                                    1 7 .8
                                                               1 0 .0 0 % N % N
                                     1                                  9 .7 5                                                                                       1 0 .0
                                                                        9 .5 0
                                                                                                                                                                      5 .6
                                                 Fe - N                 9 .2 5
                                                                        9 .0 0
                                                                                                                                               5 .8 9 7
               )
            - 1 /2




                                  0 .5                                                                                                                                3 .2




                                                                                                                                                                                   )
                                                                        8 .7 5




                                                                                                                                                                                - 1 /2
               lo g (KN ) (a tm




                                                                        8 .5 0                                                        5 .8 9




                                                                                                                                                                                   K N (a tm
                                                                                                                   '                                                 1 .8
                                                                        8 .2 5

                                     0                                                               5 .8 7 % N                                                       1 .0
                                                                                          5 .8 5

                                                                                 5 .8 2
                                  -0 .5                        5 .7 8                                                          0 .0 1                                  0 .3
                                                      5 .7 3
                                                                                                    0 .0 3 % N
                                                                        0 .0 7
                                                                                                                          0 .0 0 5

                                    -1                                                                                                                                 0 .1
                                                 
                                                                     0 .0 5
                                                                                                                                                 0 .0 0 1



                                  -1 .5                                                                                                                                0 .0 3
                                          1 .0       1 .1                   1 .2                   1 .3             1 .4                1 .5 x 1 0 - 3        1 /K


                                                                                                                        Fonte: Nitrex technical process. 2000

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          Por que é importante o
                    controle de KN ?

            Composição de Fases
            Propriedades Mecânicas


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               Fragilidade da Camada Branca
                     Impressão por microdureza Vickers
       Carga 30 kg, aço 4340, nitretado para a mesma especificação


                                   Nitretação
                                   (Com Controle – KN )




         Nitretação Tradicional
         (Sem Controle : Supersaturado)

                                           Fonte: Nitrex technical process. 2000

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Importância da realização da nitretação em processos controlados
       como, por exemplo, a Nitretação Iônica por Plasma




    Nitretação a gás               Nitretação com
    tradicional – sem              controle KN
    controle KN


                                   Fonte: Nitrex technical process. 2000

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      Versatilidade de Processo
     com o Controle do Potencial
          de Nitrogênio - KN



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                                                    Aço AISI H13

                13m CB
                100m
Camada Branca




                7m CB                    7m CB              7m CB
                100m                     135m               185m




                0m CB                             0m                 Camada de Difusão
                100m                              150m                   @ 700HV
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                                         Aço Rápido AISI M50
Camada Branca




                 100m                   190m              250m



                                                 Camada de Difusão @ 700HV


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                Aço tipo AISI 8620

                                                          20m CB
                                                          400m
Camada Branca




                                        10m CB
                                        250m
                                                                             7m CB
                                                                             1000m




                  2m CB                                  2m CB
                  100m                                   400m


                                          Camada de Difusão @ Core + 100HV

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                                        Aço tipo AISI 8620                                                                                                                  800

                                                                                                                                                                            700




                                         Gradiente de                                                                                                                       600
                                                                                                                                                                                                                                   20m CB
                                                                                                                                                                                                                                   400m
                                          Microdureza
                                                                                                                                                                            500




                                                                                                                                                                    HV0.5
                                                                                                                                                                            400

                                                                                                                                                                            300

                                                                                                                                                                            200



                                                                                                                           10mCB                                           100

                                                                                                                                                                               0
                                                                                                  800

                                                                                                  700
                                                                                                                           250m                                                   0       100    200     300     400    500
                                                                                                                                                                                                        Depth from Surface (µm)
                                                                                                                                                                                                                                  600   700   800



                                                                                                  600
                                                                                                                                                                                                                                                            800
Camada Branca




                                                                                                  500


                                                                                          HV0.5
                                                                                                                                                                                                                                                            700
                                                                                                  400
                                                                                                                                                                                                                                                            600
                                                                                                  300

                                                                                                                                                                                                                                                            500
                                                                                                  200
                                                                                                                                                                                                                                                                                                     7m CB




                                                                                                                                                                                                                                                    HV0.5
                                                                                                  100                                                                                                                                                       400

                                                                                                   0
                                                                                                        0   100   200     300     400    500      600   700   800
                                                                                                                                                                                                                                                            300                                      1000m
                                                                                                                        Depth from Surface (µm)                                                                                                             200

                                                                                                                                                                                                                                                            100



                        800
                                                                                                                                                                                                                                2m CB                       0
                                                                                                                                                                                                                                                                  0   100   200   300   400   500   600   700   800   900   1000
                                                                                                                                                                               800
                                                                                                                                                                                                                                400m                                               Depth from Surface (µm)
                        700

                        600
                                                                 2m CB                                                                                                        700




                        500
                                                                 100m                                                                                                         600

                                                                                                                                                                               500
                HV0.5




                                                                                                                                                                       HV0.5
                        400                                                                                                                                                    400

                        300                                                                                                                                                    300


                        200                                                                                                                                                    200

                                                                                                                                                                               100
                        100

                                                                                                                                                                                   0
                         0
                                                                                                                                                                                       0    100   200      300    400     500     600   700   800
                              0   100   200     300     400    500      600   700   800
                                                                                                                                                                                                        Depth from Surface (µm)
                                              Depth from Surface (µm)




                                                                                                                                                                    Camada de Difusão @ Núcleo + 100HV

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A Arte da Nitretação


          Efeitos dos processos industriais
          de nitretação na modificação
          das superfícies de ligas ferrosas




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A Arte da Nitretação
                    Comportamento da Porosidade

                                          Nitretação NH3




                                     Nitretação Líquida


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A Arte da Nitretação
                         Comportamento da Rugosidade




      Fonte: Estudo a rugosidade nos processos industriais de nitretação. Vatavuk, J.; Vendramim, J.C. – SAE 1998


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A Arte da Nitretação
        Efeito do Carbono na Profundidade de Nitretação




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A Arte da Nitretação
Efeito da Temperatura na Espessura da Camada Branca




                                 Fonte: Nitrex technical process. 2000

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       Efeito da Temperatura na Dureza de Superfície




                                    Fonte: Nitrex technical process. 2000

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    Efeito dos Elementos            Alteração na Tensão
           de Liga                        Residual




                                Fonte: Nitrex technical process. 2000

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    Efeito na Resistência ao     Efeito na Resistência a
            Desgaste                    Corrosão




                                 Fonte: Nitrex technical process. 2000

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     Efeito na Resistência à    Efeito na Resistência ao
             Fadiga                     Desgaste




                                Fonte: Nitrex technical process. 2000

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A Arte da Nitretação


            Resultados para Dureza e
            Profundidade de Camada
            Nitretada para alguns dos
            principais tipos de ligas ferrosas



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A Arte da Nitretação

 Microestrutura e perfil de
    microdureza, aço
   N135M (Nitralloy)

Dureza Superficial = 1000-1100 HV1

Camada Branca = 0 µm

Camada Total = 770 µm

Dureza Núcelo = 300HV
                                      Distance from surface [m]




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Microestrutura de
  Aço Inoxidável
    Austenitico
Camada Nitretada




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Microestrutura de
  Aço Inoxidável
    Martensítico
Camada Nitretada




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A Arte da Nitretação


Microestrutura e perfil de and
microdureza, Aço Inoxidável
             440B

Dureza Superficial = 1200 HV1

Camada Branca = 5 µm

Camada Total = 125 µm

Dureza Núcleo = 400HV




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A Arte da Nitretação



                  Projeto para a

          Camada Nitretada



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A Arte da Nitretação


                   Projeto de Camada


        Desgaste                Corrosão       Fadiga

                                                Camada
        Camada Branca +
                                                 Branca
               Porosidade                       Limitada

Aços: Carbono – Construção Mecânica           Aços: Média e Alta Liga

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               Aplicações


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    Girabrequim
     Aço 4140

• Dureza Superficial = 600 HV1
• Camada Branca = 7 µm
• Camada Total = 635 µm
• Dureza Núcleo = 300HV




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    Anéis (Pistão)
440B Martensítico Aço
     Inoxidável




                                                        40 m

                                 • Dureza Superficial = 1200 HV1
                                 • Camada Branca = 5 µm
                                 • Camada Total = 125 µm
                                 • Dureza Núcleo = 400HV


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   Válvula de Alto Cr-Ni - Aço Inoxidável Austenítico




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          Setor Porta
          Aço ~1006


Aparências após 336 horas
em “salt spray”
A - nitretado + oxidação
B - nitretado
C - não nitretado




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     Molas - Válvulas
     Aço alto Silicio

• Dureza Superficial = 850 HV0.1

• Camada Branca = 2 µm

• Camada de Difusão @ C+100HV =50 µm

• Dureza de Núcleo = 560HV

• Incremento da Dureza

• Incremento da Resistência à Fadiga


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  Ferramenta de Extrusão de Alumínio, aço AISI H13

                                                1200
                                                1100
                                                1000
                                                 900




                                hardness (HV)
                                                 800
                                                 700
                                                 600
                                                 500
                                                 400
                                                 300
                                                 200
                                                 100
                                                   0
                                                       0.001 0.002 0.030 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008
                                                                depth from surface (inch)




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    Ferramenta para Forjamento a Quente – Aço
    H13



                                • Dureza Superfície: 1114 HV
                                • Camada Branca: 0,013 mm
                                • Camada Total: 0,200 mm




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• Moldes para Injeção de Alumínio – Aço ADC3




                                Nitretação Iônica por Plasma Isoflama
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    Engrenagem
        Aço 4140




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                Injeção de Plástico – Aço P20




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       Matrizes para Injeção de Alumínio em aço AISI H11,
                nitretadas e oxidadas por plasma




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   O que se controla ao final da Nitretação?

1. Espessura da Camada formada através do exame de
   microdureza Vickers, ou Knoop;

2. Morfologia da microestrutura da camada nitretada
   através da inspeção por microscopia ótica

     Ensaios realizados mediante destruição de uma peça, ou corpo de
                    prova colocado na carga de nitretação




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   De maneira geral, o estabelecimento da profundidade e morfologia da
   camada nitretada depende da “aplicação”, ou seja, das condições a que a
   superfície será submetida. Abaixo, alguns exemplos industriais.

                                                                Camada [mm]
             Aplicação (Ferramentas)
                                                        Branca             Difusão
            Matriz Extrusão Alumínio                 0,005 - 0,008       0,080- 0,120

             Matriz Injeção Alumínio                     Zero            0,020 - 0,070

                                                         Zero
         Matriz Conformação a Quente                                     0,100 - 0,200
                                                     0,005 – 0,010

            Matriz Conformação a Frio                Zero a 0,002        0,040 - 0,080

     Ferramenta de Corte (posterior aplicação PVD)       Zero             0,010 max



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           Conformação a Frio – tubos com costura

                                         Aço AISI D2




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                             (batch size)     max. 1000X2500X3500
                             (batch weight) max. 15 000 Kg
                             (process time)              34 Std. ( 24 Std. ) (hours)
                             (heating and colling time)  ca. 16 Std. (hours)
                             Temperature :                               450°C bis 530°C
                             (surface hardness)          450 bis 750 HV
                             (diffusion case) 5 - 12µm
                             (nitriding hardness depth)  0,1 - 0,5 mm
                             (gas composition) N2 ,H2 , CO2 , CH4
                             (gas flow)                  20 - 100 l/h
                             (operating pressure)         1,0 - 10,0 mbar
                             (power)                     350 KW/Std.
                             (puls frequency) 99 :1
                             (change in dimension) =     Ra 0,1 - 0,3 µm (increase of roughness)
                                                         2 - 6 µm (increase in volume /surface)
                                                         max. 0,1 mm/m (distortion)
                             (preparation) :              (fully machined)
                                            (surface without discolouration)
                                                            (no rust or color remainings)
                                                           (no grease or oil remainings (lubricants)



                  Matriz para conformação a frio – porta lateral de automóvel

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Präsentation Plasma K40/MG
A Arte da Nitretação


      Exercite e Amplie a Cidadania: feixe de
           Direitos e Deveres sociais, políticos,
            econômicos e culturais da Pessoa

    www.vendramim.blogspot.com.br
                  www.isoflama.com.br

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Arte da nitretação

  • 1.
    A Arte daNitretação A Arte da Nitretação João Carmo Vendramim, Eng.MSc www.vendramim.blogspot.com Universidade Mackenzie - 2011
  • 2.
    A Arte daNitretação João Carmo Vendramim Eng.Metalurgista – E E Mauá Mestrado Fem-Unicamp – 2003: “Efeito da nitretação na resistência à fadiga de arame de aço CrSiV para mola da indústria automotiva” Experiência industrial: Brasimet; Aços Boehler; Aços Villares; Nitrex Metals (Canadá); Combustol Projetos de nitretação: CNPq (Bolsista Rhae – Eaton Transmission) - Fapesp (construção de reator nitretação iônica - Instituto de Física Unicamp) Prêmios: SAE 2000; ABM-2004 Atividade atual: Sócio-Diretor da empresa Isoflama < www.isoflama.com.br > Universidade Mackenzie - 2011
  • 3.
    A Arte daNitretação Engenharia de Superfície: Processos de Degradação da Superficie • Químicos : ácidos, sais, gases, ... • Térmicos: altas temperaturas; oxidação; …. • Atmosférica: umidade; chuva; água do mar • Mecânica: abrasão, erosão, adesão, etc…. Universidade Mackenzie - 2011
  • 4.
    A Arte daNitretação Engenharia de Superficie – Objetivo Modificar a superficie de um componente (liga ferrosa) para promover propriedades superficiais diferentes das do núcleo Universidade Mackenzie - 2011
  • 5.
    A Arte daNitretação Nitretação Processo de modificação de superfícies de ligas ferrosas mediante a difusão de átomos de Nitrogênio com vistas a melhorar as propriedades desta em relação ao núcleo Cianetos, Cianatos, Amônia Dissociada Cataliticamente e Plasma são diferentes meios de transporte do nitrogênio atômico para a superfície da liga ferrosa Universidade Mackenzie - 2011
  • 6.
    A Arte daNitretação Etapas do Tratamento de Superfície Seleção do Melhor Processo Térmico Preparação / Limpeza Seleção e Controle de Parâmetros de Processo Térmico Manipulação / Manutenção Universidade Mackenzie - 2011
  • 7.
    A Arte daNitretação Benefícios do Tratamento de Superfície • Melhorar Propriedades em Serviço • Incrementar “Tempo de Vida” em Trabalho • Economia de Produção Universidade Mackenzie - 2011
  • 8.
    A Arte daNitretação Tipos de Tratamentos Superficiais 1. Adicionar camadas de material ao substrato Ex.: PVD / CVD, Spray térmicos, ... 2. Modificar a superfície sem alteração química do substrato Ex.:: Têmpera Indução, “Shot Peening”, ... 3. Modificação da superfície pela alteração da constituição do substrato Tratamentos Termoquímicos de Difusão Universidade Mackenzie - 2011
  • 9.
    A Arte daNitretação Tratamentos Termoquímicos de Difusão Cementação / Carbonitretação: ….. Nitretação / Nitrocarbonetação: ……....... Boretação:……… Universidade Mackenzie - 2011
  • 10.
    A Arte daNitretação O que é a Nitretação? Processo de enriquecimento com nitrogênio para a superfície de ligas ferrosas O que forma na superfície? Camada de nitretos e nitrogênio dissolvidos na matriz ferrítica até uma profundidade que pode alcançar 1,00 milímetro Universidade Mackenzie - 2011
  • 11.
    A Arte daNitretação Proposta do tratamento termoquímico de Nitretação • Aumentar a Dureza na Superfície; • Aumentar a Resistência ao Desgaste; • Aumentar a Resistência a Corrosão; • Melhorar a Resistência à Fadiga (alto ciclo / térmica) Universidade Mackenzie - 2011
  • 12.
    A Arte daNitretação (breve) História da Nitretação Universidade Mackenzie - 2011
  • 13.
    A Arte daNitretação Nitretação – Evolução • Nitretação Gás Convencional (s/controle PN) - 1918 • Nitretação Iônica (1939) • Nitretação em Banho de Sal (1953) • Nitretação Gás (c/controle PN) – 1985 • Nitretação Iônica (Plasma Pulsado) - 1985 Universidade Mackenzie - 2011
  • 14.
    A Arte daNitretação 1920’s - Implementação industrial - Krupp • Somente NH3 • Tempo de Processo ~ 70 a 120 horas • Apenas um tipo de aço: NITRALLOY • Camadas nitretadas muito frágeis Universidade Mackenzie - 2011
  • 15.
    A Arte daNitretação 1950’s -Início da Nitretação Banho de Sal (líquida) • Processo de curta duração: 3-12 horas • Aquecimento / Resfriamento … rápido • Sem controle de processo (apenas do sal) • Temperatura > 550ºC • Aço carbono & Aços baixa liga • Problemas Ambientais & Saúde Universidade Mackenzie - 2011
  • 16.
    A Arte daNitretação Forno Nitretação Banho de Sal 4NaCN + 2O2  4NaCNO 8NaCNO  2Na2CO3 + 4NaCN + CO2 + C + 4N Universidade Mackenzie - 2011
  • 17.
    A Arte daNitretação 1970’s - Processo Gás • Desenvolvimento processo com mistura de gases: (NH3 / N2 , NH3 / dNH3 , NH3 / C-Gas) • Multiplos Estágios (ciclos curtos) • Tradicional – sem controle PN Universidade Mackenzie - 2011
  • 18.
    A Arte daNitretação 1980’s - Gás (Controle e Automático) • Desenvolvimento processo com mistura de gases: (NH3 / N2 , NH3 / dNH3 , NH3 / C-Gas) • Multiplos Estágios • Moderno: com controle, e automático, do Potencial de Nitrogênio (KN) Universidade Mackenzie - 2011
  • 19.
    A Arte daNitretação Reações Químicas na superfície do aço – Nitretação Gás NH3 Universidade Mackenzie - 2011
  • 20.
    A Arte daNitretação Mecanismos de Nitretação / Nitrocarbonetação a Gás H Atmosphere N H H H O O H H H H N C O H H H N O C O Adsorption H H Adsortion Adsortion O N O H H H O H H O N N Recomb. Recomb. H H C O H N Adsorption layer Diffusion Diffusion Steel N N Recomb. N C Diffusion Diffusion Universidade Mackenzie - 2011
  • 21.
    A Arte daNitretação Equipamento de Nitretação a Gás com Controle e Automático Universidade Mackenzie - 2011
  • 22.
    A Arte daNitretação 1980’s- Nitretação Iônica de Plasma Pulsado • 1930’s – Primeiro experimento técnológico • Limpeza • Simples / fácil proteção (máscara, ou tinta) • Baixo consumo de gás e energia eletrica • Ativação pelo efeito “cathode sputtering” • Composição de carga – ocupação • Automático – operador bem treinado Universidade Mackenzie - 2011
  • 23.
    A Arte daNitretação Forno Nitretação Iônica de Plasma Pulsado Universidade Mackenzie - 2011
  • 24.
    A Arte daNitretação Mecanimos da nitretação iônica por plasma pulsado Universidade Mackenzie - 2011
  • 25.
    A Arte daNitretação Plasma no interior do reator de nitretação iônica Universidade Mackenzie - 2011
  • 26.
    A Arte daNitretação A tecnologia de nitretação iônica por plasma pode ser aplicada para quaisquer tipos de ligas ferrosas • Aços Carbono; • Aço Construção Mecânica; • Aço Trabalho a Quente; • Aço Trabalho a Frio; • Aço Rápido • Aços Inoxidáveis: martensíticos e austeníticos; • Ferro Sinterizado • Ferro Fundido • Ligas especiais (Titânio) Universidade Mackenzie - 2011
  • 27.
    A Arte daNitretação Isoflama: 2 reatores de dimensões úteis 900 x 1600 mm; Capacidade: até 2000 Kg Foto do interior do forno com peças e plasma Universidade Mackenzie - 2011
  • 28.
    A Arte daNitretação Prerequisitos para uma boa nitretação 1. Tratamento térmico anterior do aço da peça: parâmetros de têmpera e revenimentos utilizados 2. Superfície isenta de “camada branca” de eletroerosão; 3. Peça nas dimensões finais; 4. Peça limpa: superfície, canais, furos, etc...; 5. Superfície polida sem a utilização de pasta de diamante à base de silicone (mandatório!); 6. Peça sem tampas em: Al, Cu e polímeros 7. Peças não montadas 8. Peças limpas Universidade Mackenzie - 2011
  • 29.
    A Arte daNitretação Caracterização da Camada Nitretada em superfície de aço tipo AISI H13 Universidade Mackenzie - 2011
  • 30.
    A Arte daNitretação Mecanismos e Princípios de Nitretação Universidade Mackenzie - 2011
  • 31.
    A Arte daNitretação A primeira Lei de Fick de difusão expressa pela fórmula dc c= D dx D - Coeficiente de difusão; c – Concentração x - Distância Universidade Mackenzie - 2011
  • 32.
    A Arte daNitretação A segunda Lei de Fick de difusão expressa pela fórmula  c =  D.  c = D  2c t x x x2 ( ) t - Tempo X - Distancia Universidade Mackenzie - 2011
  • 33.
    A Arte daNitretação A profundidade de camada pode ser determinada pela equação de Harris C=kt C – profundidade camada; t – tempo; e k - é um coeficiente dependente de vários fatores, tais como material, temperatura e concentração máxima do elemento de difusão Universidade Mackenzie - 2011
  • 34.
    A Arte daNitretação Coeficiente de difusão: conteúdo em carbono / várias temperaturas Fonte: Nitrex technical process. 2000 Universidade Mackenzie - 2011
  • 35.
    A Arte daNitretação Diagrama de Equilíbrio Fe-N Fe-N Equilibrium Phase Diagram °C 1000 5 10 15 20 25 912°C 900 C u r ie T e m p er a tu r e 7 7 0 ° C 800 ? γ -F e ? 680 + 5°C 700 650°C α -F e 2 .8 ε 4 .5 5 600 γ´ 2 .3 5 590°C 500 α α + γ´ γ 1 ε 400 ~ 4 9 0 ° C (C u r ie T e m p e r a tu r e ) o f γ 1 5 .7 % a t 4 5 0 ° C γ´ + ε 6 .1 % a t 4 5 0 ° C 1 2 3 4 5 6 7 8 W e ig h t P e rc e n ta g e N itro g e n Fonte: Nitrex technical process. 2000 Fonte: Nitrex technical process. 2000 Universidade Mackenzie - 2011
  • 36.
    A Arte daNitretação °C 1000 5 10 15 20 25 912°C 900 Curie Temperature 770°C 800 ? γ-Fe ? 700 680+5°C Fe-N 650°C α-Fe 2.8 4.55 ε Equilibrium Phase Diagram 600 2.35 590°C γ1 500 ~ 490°C (Curie Temperature) of γ1 5.7% at 450°C 6.1% at 450°C 400 1 2 3 4 5 6 7 8 Weight Percentage Nitrogen Nitrogen Concentration At temperature Furnace cooling ε ε ε+γ' γ' Distance γ' α+γ' α α Fonte: Nitrex technical process. 2000 Universidade Mackenzie - 2011
  • 37.
    A Arte daNitretação Arranjo cristalino das fases na camada nitretada  γ´ - Fe4N  - Fe2,3N Fonte: Nitrex technical process. 2000 Universidade Mackenzie - 2011
  • 38.
    A Arte daNitretação Descrição das Fases formadas na Nitretação Fonte: Nitretação Iônica por Plasma – Figueroa, C. 2005 Universidade Mackenzie - 2011
  • 39.
    A Arte daNitretação Metalografia das fases formadas na camada nitretada Suporte em Cobre / Níquel Camada e óxido Zona porosa Camada Branca Zona de Difusão Universidade Mackenzie - 2011
  • 40.
    A Arte daNitretação Composição de Fases no aço 1020 Nitretado Revestimento Ni- químico para suporte ~80% -fase (porosa) Núcleo +  ‘ precipitados 20%  ‘-fase Universidade Mackenzie - 2011
  • 41.
    A Arte daNitretação Condução do Ciclo de Nitretação NITRETAÇÃO (400-600ºC) Nucleação (Ativação) Pós-oxidação (300-500ºC) (400-550ºC) Purga (N2) Universidade Mackenzie - 2011
  • 42.
    A Arte daNitretação Configuração da camada nitretada na liga ferrosa Camada Óxido Camada Branca, Fe2-3N, Fe4N NHT = DN + 50 HV0,5 Zona Difusão Substrato 1-3µ 1 - 30 µ 10-1000 µ x Universidade Mackenzie - 2011
  • 43.
    A Arte daNitretação Microestrutura da Camada Nitretada formada no Aço Carbono Fonte: Nitrex technical process. 2000 Universidade Mackenzie - 2011
  • 44.
    A Arte daNitretação Microestrutura da Camada Nitretada emAços Ligados Fonte: Nitrex technical process. 2000 Universidade Mackenzie - 2011
  • 45.
    A Arte daNitretação KN Potencial de Nitrogênio Determina a quantidade termodinâmica da concentração de nitrogênio em equilíbrio na superfície do aço. Essa concentração não poderá ser excedid para uma dada temperatura Universidade Mackenzie - 2011
  • 46.
    A Arte daNitretação KN-T Diagrama Equilíbrio (Lehrer / Maldzinski) 700 600 550 500 450 400 o C 1 .5 3 1 .6  1 7 .8 1 0 .0 0 % N % N 1 9 .7 5 1 0 .0 9 .5 0 5 .6 Fe - N 9 .2 5 9 .0 0 5 .8 9 7 ) - 1 /2 0 .5 3 .2 ) 8 .7 5 - 1 /2 lo g (KN ) (a tm 8 .5 0 5 .8 9 K N (a tm ' 1 .8 8 .2 5 0 5 .8 7 % N 1 .0 5 .8 5 5 .8 2 -0 .5 5 .7 8 0 .0 1 0 .3 5 .7 3 0 .0 3 % N 0 .0 7  0 .0 0 5 -1 0 .1  0 .0 5 0 .0 0 1 -1 .5 0 .0 3 1 .0 1 .1 1 .2 1 .3 1 .4 1 .5 x 1 0 - 3 1 /K Fonte: Nitrex technical process. 2000 Universidade Mackenzie - 2011
  • 47.
    A Arte daNitretação Por que é importante o controle de KN ?  Composição de Fases  Propriedades Mecânicas Universidade Mackenzie - 2011
  • 48.
    A Arte daNitretação Fragilidade da Camada Branca Impressão por microdureza Vickers Carga 30 kg, aço 4340, nitretado para a mesma especificação Nitretação (Com Controle – KN ) Nitretação Tradicional (Sem Controle : Supersaturado) Fonte: Nitrex technical process. 2000 Universidade Mackenzie - 2011
  • 49.
    A Arte daNitretação Importância da realização da nitretação em processos controlados como, por exemplo, a Nitretação Iônica por Plasma Nitretação a gás Nitretação com tradicional – sem controle KN controle KN Fonte: Nitrex technical process. 2000 Universidade Mackenzie - 2011
  • 50.
    A Arte daNitretação Versatilidade de Processo com o Controle do Potencial de Nitrogênio - KN Universidade Mackenzie - 2011
  • 51.
    A Arte daNitretação Aço AISI H13 13m CB 100m Camada Branca 7m CB 7m CB 7m CB 100m 135m 185m 0m CB 0m Camada de Difusão 100m 150m @ 700HV Universidade Mackenzie - 2011
  • 52.
    A Arte daNitretação Aço Rápido AISI M50 Camada Branca 100m 190m 250m Camada de Difusão @ 700HV Universidade Mackenzie - 2011
  • 53.
    A Arte daNitretação Aço tipo AISI 8620 20m CB 400m Camada Branca 10m CB 250m 7m CB 1000m 2m CB 2m CB 100m 400m Camada de Difusão @ Core + 100HV Universidade Mackenzie - 2011
  • 54.
    A Arte daNitretação Aço tipo AISI 8620 800 700 Gradiente de 600 20m CB 400m Microdureza 500 HV0.5 400 300 200 10mCB 100 0 800 700 250m 0 100 200 300 400 500 Depth from Surface (µm) 600 700 800 600 800 Camada Branca 500 HV0.5 700 400 600 300 500 200 7m CB HV0.5 100 400 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 300 1000m Depth from Surface (µm) 200 100 800 2m CB 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 800 400m Depth from Surface (µm) 700 600 2m CB 700 500 100m 600 500 HV0.5 HV0.5 400 400 300 300 200 200 100 100 0 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Depth from Surface (µm) Depth from Surface (µm) Camada de Difusão @ Núcleo + 100HV Universidade Mackenzie - 2011
  • 55.
    A Arte daNitretação Efeitos dos processos industriais de nitretação na modificação das superfícies de ligas ferrosas Universidade Mackenzie - 2011
  • 56.
    A Arte daNitretação Comportamento da Porosidade Nitretação NH3 Nitretação Líquida Universidade Mackenzie - 2011
  • 57.
    A Arte daNitretação Comportamento da Rugosidade Fonte: Estudo a rugosidade nos processos industriais de nitretação. Vatavuk, J.; Vendramim, J.C. – SAE 1998 Universidade Mackenzie - 2011
  • 58.
    A Arte daNitretação Efeito do Carbono na Profundidade de Nitretação Universidade Mackenzie - 2011
  • 59.
    A Arte daNitretação Efeito da Temperatura na Espessura da Camada Branca Fonte: Nitrex technical process. 2000 Universidade Mackenzie - 2011
  • 60.
    A Arte daNitretação Efeito da Temperatura na Dureza de Superfície Fonte: Nitrex technical process. 2000 Universidade Mackenzie - 2011
  • 61.
    A Arte daNitretação Efeito dos Elementos Alteração na Tensão de Liga Residual Fonte: Nitrex technical process. 2000 Universidade Mackenzie - 2011
  • 62.
    A Arte daNitretação Efeito na Resistência ao Efeito na Resistência a Desgaste Corrosão Fonte: Nitrex technical process. 2000 Universidade Mackenzie - 2011
  • 63.
    A Arte daNitretação Efeito na Resistência à Efeito na Resistência ao Fadiga Desgaste Fonte: Nitrex technical process. 2000 Universidade Mackenzie - 2011
  • 64.
    A Arte daNitretação Resultados para Dureza e Profundidade de Camada Nitretada para alguns dos principais tipos de ligas ferrosas Universidade Mackenzie - 2011
  • 65.
    A Arte daNitretação Microestrutura e perfil de microdureza, aço N135M (Nitralloy) Dureza Superficial = 1000-1100 HV1 Camada Branca = 0 µm Camada Total = 770 µm Dureza Núcelo = 300HV Distance from surface [m] Universidade Mackenzie - 2011
  • 66.
    A Arte daNitretação Microestrutura de Aço Inoxidável Austenitico Camada Nitretada Universidade Mackenzie - 2011
  • 67.
    A Arte daNitretação Microestrutura de Aço Inoxidável Martensítico Camada Nitretada Universidade Mackenzie - 2011
  • 68.
    A Arte daNitretação Microestrutura e perfil de and microdureza, Aço Inoxidável 440B Dureza Superficial = 1200 HV1 Camada Branca = 5 µm Camada Total = 125 µm Dureza Núcleo = 400HV Universidade Mackenzie - 2011
  • 69.
    A Arte daNitretação Projeto para a Camada Nitretada Universidade Mackenzie - 2011
  • 70.
    A Arte daNitretação Projeto de Camada Desgaste Corrosão Fadiga Camada Camada Branca + Branca Porosidade Limitada Aços: Carbono – Construção Mecânica Aços: Média e Alta Liga Universidade Mackenzie - 2011
  • 71.
    A Arte daNitretação Aplicações Universidade Mackenzie - 2011
  • 72.
    A Arte daNitretação Girabrequim Aço 4140 • Dureza Superficial = 600 HV1 • Camada Branca = 7 µm • Camada Total = 635 µm • Dureza Núcleo = 300HV Universidade Mackenzie - 2011
  • 73.
    A Arte daNitretação Anéis (Pistão) 440B Martensítico Aço Inoxidável 40 m • Dureza Superficial = 1200 HV1 • Camada Branca = 5 µm • Camada Total = 125 µm • Dureza Núcleo = 400HV Universidade Mackenzie - 2011
  • 74.
    A Arte daNitretação Válvula de Alto Cr-Ni - Aço Inoxidável Austenítico Universidade Mackenzie - 2011
  • 75.
    A Arte daNitretação Setor Porta Aço ~1006 Aparências após 336 horas em “salt spray” A - nitretado + oxidação B - nitretado C - não nitretado Universidade Mackenzie - 2011
  • 76.
    A Arte daNitretação Molas - Válvulas Aço alto Silicio • Dureza Superficial = 850 HV0.1 • Camada Branca = 2 µm • Camada de Difusão @ C+100HV =50 µm • Dureza de Núcleo = 560HV • Incremento da Dureza • Incremento da Resistência à Fadiga Universidade Mackenzie - 2011
  • 77.
    A Arte daNitretação Ferramenta de Extrusão de Alumínio, aço AISI H13 1200 1100 1000 900 hardness (HV) 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0.001 0.002 0.030 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 depth from surface (inch) Universidade Mackenzie - 2011
  • 78.
    A Arte daNitretação Ferramenta para Forjamento a Quente – Aço H13 • Dureza Superfície: 1114 HV • Camada Branca: 0,013 mm • Camada Total: 0,200 mm Universidade Mackenzie - 2011
  • 79.
    A Arte daNitretação • Moldes para Injeção de Alumínio – Aço ADC3 Nitretação Iônica por Plasma Isoflama Universidade Mackenzie - 2011
  • 80.
    A Arte daNitretação Engrenagem Aço 4140 Universidade Mackenzie - 2011
  • 81.
    A Arte daNitretação Injeção de Plástico – Aço P20 Universidade Mackenzie - 2011
  • 82.
    A Arte daNitretação Matrizes para Injeção de Alumínio em aço AISI H11, nitretadas e oxidadas por plasma Universidade Mackenzie - 2011
  • 83.
    A Arte daNitretação O que se controla ao final da Nitretação? 1. Espessura da Camada formada através do exame de microdureza Vickers, ou Knoop; 2. Morfologia da microestrutura da camada nitretada através da inspeção por microscopia ótica Ensaios realizados mediante destruição de uma peça, ou corpo de prova colocado na carga de nitretação Universidade Mackenzie - 2011
  • 84.
    A Arte daNitretação De maneira geral, o estabelecimento da profundidade e morfologia da camada nitretada depende da “aplicação”, ou seja, das condições a que a superfície será submetida. Abaixo, alguns exemplos industriais. Camada [mm] Aplicação (Ferramentas) Branca Difusão Matriz Extrusão Alumínio 0,005 - 0,008 0,080- 0,120 Matriz Injeção Alumínio Zero 0,020 - 0,070 Zero Matriz Conformação a Quente 0,100 - 0,200 0,005 – 0,010 Matriz Conformação a Frio Zero a 0,002 0,040 - 0,080 Ferramenta de Corte (posterior aplicação PVD) Zero 0,010 max Universidade Mackenzie - 2011
  • 85.
    A Arte daNitretação Conformação a Frio – tubos com costura Aço AISI D2 Universidade Mackenzie - 2011
  • 86.
    A Arte daNitretação (batch size) max. 1000X2500X3500 (batch weight) max. 15 000 Kg (process time) 34 Std. ( 24 Std. ) (hours) (heating and colling time) ca. 16 Std. (hours) Temperature : 450°C bis 530°C (surface hardness) 450 bis 750 HV (diffusion case) 5 - 12µm (nitriding hardness depth) 0,1 - 0,5 mm (gas composition) N2 ,H2 , CO2 , CH4 (gas flow) 20 - 100 l/h (operating pressure) 1,0 - 10,0 mbar (power) 350 KW/Std. (puls frequency) 99 :1 (change in dimension) = Ra 0,1 - 0,3 µm (increase of roughness) 2 - 6 µm (increase in volume /surface) max. 0,1 mm/m (distortion) (preparation) : (fully machined) (surface without discolouration) (no rust or color remainings) (no grease or oil remainings (lubricants) Matriz para conformação a frio – porta lateral de automóvel Universidade Mackenzie - 2011 Präsentation Plasma K40/MG
  • 87.
    A Arte daNitretação Exercite e Amplie a Cidadania: feixe de Direitos e Deveres sociais, políticos, econômicos e culturais da Pessoa www.vendramim.blogspot.com.br www.isoflama.com.br Universidade Mackenzie - 2011