Nitretação - Processo, Métodos, Estrutura e Aplicações

A nitretação é um tratamento termoquímico do aço, que satura a superfície do aço com uma camada bem fina de nitrogénio para criar uma superfície cementada. Essa camada é bem dura e resistente ao desgaste, e é por isso que a nitretação é frequentemente usada como tratamento final de ferramentas e componentes de máquinas.

Processo, temperatura e duração da nitretação

A peça de aço é mergulhada num ambiente que contém átomos de azoto livres a uma temperatura elevada, mas inferior a A_C1. O azoto deposita-se na superfície do aço como resultado da absorção intersticial na forma de nitretos ou carbonitretos e, com o tempo, difunde-se mais profundamente no aço.

A nitretação é realizada na faixa de temperatura de 500–600 °C, na maioria das vezes 520–560 °C. Dependendo da duração do processo, pode-se distinguir entre nitretação de curto prazo ou de longo prazo.

A nitretação de curto prazo dura de alguns minutos a algumas horas (os aços para ferramentas, em particular, são frequentemente nitretados a curto prazo). A nitretação de longo prazo pode durar até várias dezenas de horas. Ambas são geralmente realizadas na mesma temperatura. Quando se faz a nitretação a uma temperatura constante, a resistência da camada nitretada depende da duração da operação. Para alguns aços, a nitretação por alguns minutos é tão boa quanto a nitretação por um tempo muito mais longo.

Após a nitretação, o aço é arrefecido lentamente, o que faz com que agulhas de nitreto duras precipitem na estrutura.

Estrutura após a nitretação

No sistema ferro-nitrogénio, ocorrem quatro fases distintas:

• A fase α (nitroferrite) é uma solução sólida de nitrogénio em ferro, com um teor de nitrogénio de 0,015% à temperatura ambiente e 0,42% à temperatura eutectóide.
• A fase γ (nitroaustenita) é uma solução sólida de azoto em ferro γ, existente a temperaturas acima de 595 °C. Após um arrefecimento lento, decompõe-se numa eutectóide das fases α e γ′.
• A fase γ′ é nitreto de ferro, com uma composição química de aproximadamente Fe₄N.
• A fase ε é nitreto de ferro contendo mais nitrogénio, com uma composição química de aproximadamente Fe₂N. Também pode conter carbonitretos.

A nitretação de longo prazo produz uma zona contínua de nitretos e carbonitretos γ′ + ε, abaixo da qual se encontra a zona de difusão. A nitretação de curto prazo não forma uma zona contínua de nitreto, mas apenas uma zona de difusão de ferrite supersaturada com azoto e precipitações de nitretos e carbonitretos das fases γ′ + ε. Tanto a zona de difusão quanto os nitretos e carbonitretos das fases γ′ + ε aumentam a resistência ao desgaste. Além disso, a camada de nitreto e carbonitreto verdadeiramente dura tem apenas 0,020–0,025 mm de espessura. Como resultado da nitretação longa, essa camada dura não engrossa significativamente, mas penetra mais profundamente, enquanto as camadas subsuperficiais se tornam porosas e frágeis. Portanto, a nitretação de curto prazo é suficiente para melhorar a resistência ao desgaste. A camada de nitreto e carbonitreto é muito dura
- a sua dureza atinge 800–1200 HV.

Abaixo é mostrada a estrutura do aço-liga nitretado em condições de tratamento térmico. Na parte externa, pode-se observar uma fina camada de fases γ′ + ε, seguida por uma camada sorbítica escura rica em nitrogénio e precipitados de nitreto, que se transforma num núcleo sorbítico mais claro.

Graud de aço para nitretação

Os aços para nitretação são aços estruturais feitos especialmente para nitretação. Sem nitretação, esses aços geralmente não são usados. Aqui está uma breve descrição das ligas mais importantes:

• 41CrAlMo7 / 1.8509 - um aço nitretado com crómio-alumínio e adição de molibdénio, usado na indústria automóvel (por exemplo, peças de bombas de combustível diesel) e na engenharia mecânica (por exemplo, engrenagens). Não é adequado para soldadura.
• 34CrAlNi7-10 / 1.8550 - um aço de nitretação de níquel-alumínio, usado nas indústrias automóvel, mecânica e energética para fixadores, hastes de pistão, cilindros, etc. Soldabilidade fraca.
• 31CrMo12 / 1.8515 - um aço nitretado com crómio-molibdénio, usado nas indústrias automóvel, mecânica e energética para peças que funcionam a temperaturas elevadas até 600 °C – eixos, engrenagens, eixos, fixadores. Não é adequado para soldadura.
• 31CrMoV9 / 1.8519 - um aço nitretado com crómio-molibdénio-vanádio, com propriedades ligeiramente piores do que o 1.8509, mas sem alumínio.

Todos os tipos de aço acima são nitretados no final do processo tecnológico, depois do endurecimento e revenimento, e assim ficam com uma superfície resistente ao desgaste e à abrasão.

Graus de aço para ferramentas adequados para nitretação

Para os aços para ferramentas, a nitretação é um tratamento final opcional. Saturação das camadas subsuperficiais das ferramentas com nitrogénio aumenta significativamente a sua resistência ao desgaste. Essa nitretação é feita a 480–600 °C, geralmente 520–560 °C, e dura de alguns minutos até 1 hora, produzindo camadas com cerca de 0,01–0,05 mm de espessura. Isso aumenta a dureza para 800–1200 HV e prolonga a vida útil da ferramenta em 2 a 8 vezes.

A nitretação não deve reduzir a dureza do núcleo da ferramenta, portanto, a temperatura de nitretação deve ser pelo menos 30 °C mais baixa do que a temperatura de têmpera anterior (chamada de melhoria térmica). Os aços temperados a baixas e médias temperaturas não são submetidos à nitretação. Assim, a nitretação é aplicada a ferramentas:

• Ferramentas de corte feitas de aços rápidos, que são endurecidos a partir de temperaturas muito altas e, apesar do revenimento a 550–570 °C, mantêm uma dureza elevada de 58–62 HRC, por exemplo S6-5-2 / 1.3343,

• Ferramentas de corte feitas de aços com alto teor de cromo para trabalho a frio, que têm propriedades parecidas com as mencionadas acima, por exemplo: 100MnCrW4 / 1.2510 ou X165CrV12 / 1.2201,
• Ferramentas de aço forjado a quente feitas de aços temperados a 530–650 °C, por exemplo: 1.2567.

Nitretação anticorrosiva de aços carbono

A nitretação de aços carbono e de muitos aços ligados não listados acima, embora possível, não é aplicada porque não melhora significativamente a dureza. A dureza de uma camada de aço carbono nitretado está na faixa de 300-350 HV.

Alguns livros também falam sobre a nitretação anticorrosiva feita em aço carbono a 600–850 °C por alguns minutos a 2 horas. A espessura da camada nitretada é de 0,02–0,04 mm. Na prática atual, a nitretação é feita principalmente como um processo de cementação.

Métodos de nitretação

Existem vários métodos de nitretação, dependendo do meio de nitretação.

Nitretação em pó - aqui, a nitretação é feita usando um pó composto, por exemplo, por 80% de cianamida cálcica CaN(CN), 15% de carbonato de sódio Na₂CO₃, 3% de ferromanganês e 2% de carboneto de silício SiC. Essa nitretação dura de 30 minutos a até 10 horas. Raramente utilizada.

Nitretação a gás é o tipo de nitretação mais utilizado. O meio de nitretação é geralmente uma corrente de amoníaco dissociado a 500–600 °C. O ferro, atuando como catalisador, decompõe o amoníaco em átomos livres de hidrogénio e azoto. Neste método, além da amoníaco, deve estar presente azoto puro para regular a taxa de nitretação. A amoníaco dissociada por si só resulta em taxas de nitretação variáveis, sem resultados repetíveis. A dissociação da amoníaco não deve ser inferior a 20%, pois uma dissociação mais baixa produz camadas excessivamente frágeis, e não superior a 70%, pois uma dissociação mais alta resulta em camadas macias. O nível ideal de dissociação é de 40 a 50%. Usando esse método, em ferramentas de aço rápido, como 1.2581, é possível obter uma camada nitretada de até 0,02 mm em 30 minutos. Um perigo desse método são os vapores tóxicos. Manter a dissociação ideal reduz a quantidade de substâncias tóxicas.

Nitretação em banho de sal (ou nitretação em sal fundido) é realizada em banhos de cianamida a 540-580 °C. Este método produz superfícies de ferramentas menos brilhantes do que o método a gás, mas é menos tóxico. Um exemplo de composição de sais para nitretação: mistura de sais de nitretação composta por 30% de BaCl₂, 10% de KCl, 10% de NaCl, 50% de CaCl₂ e um sal ativador composto por 3–5% de BaCl₂, 5–7% de KCl, 5–7% de NaCl, 9–11% de carvão vegetal C e 74–79% de nitrato (que consiste em cerca de 55% de cianamida cálcica CaCN₂).

Nitretação iónica/por plasma é realizada numa atmosfera de azoto ionizado (azoto puro ou uma mistura de azoto-hidrogénio). As peças de aço a serem nitretadas são colocadas numa retorta (que serve como ânodo) e conectadas ao pólo negativo. A tensão aplicada é de 500–1500 VCC, e a pressão da atmosfera de nitretação é reduzida. A alta tensão ioniza o gás no cátodo, ou seja, no objeto nitretado. As colisões dos iões de azoto com a superfície da peça tratada liberam calor suficiente para a nitretação. O processo pode ser controlado ajustando a pressão, a tensão e a composição química do gás. As camadas nitretadas obtidas por este método são mais resistentes ao desgaste e à fadiga e são muito mais dúcteis em comparação com as camadas obtidas por outros métodos de nitretação.

Nitretação em leito fluidizado – o objeto é colocado num leito fluidizado de areia ou alumina. O leito fluidizado é criado por partículas sólidas mantidas em suspensão por gás quente que flui por baixo. O gás nitreta o objeto imerso no leito.

Papel da nitretação no processo tecnológico

A nitretação é a última operação no processo tecnológico. Antes da nitretação, os objetos passam por um processo de endurecimento e têmperamento a alta temperatura. Depois da nitretação, os objetos não podem ser retificados, por causa da camada protetora nitretada muito fina.

Antes da nitretação, os objetos de aço devem estar limpos e cuidadosamente desengordurados. É importante lembrar que a nitretação geralmente aumenta as dimensões de objetos pequenos (por exemplo, ferramentas) em cerca de 0,05%.