Princípios de nitretação a gás – Parte IV

Este artigo é a última de uma apresentação em quatro partes, onde trataremos das técnicas de inspeção e controle de qualidade explicando o que é camada branca, a espessura e a medição da camada branca e sua avaliação metalográfica após a nitretação

Técnicas de inspeção e controle de qualidade

O que é a camada branca?

“Camada branca” ou zona de compostos é uma camada muito dura e frágil que não se difunde no aço, mas permanece na superfície. As variáveis de processo que controlam a profundidade (e formação) da camada branca são o tempo, a temperatura e a composição do gás. Ela normalmente é composta por duas fases misturadas, Gamma prime (γ) e ípsilon (ε).

A espessura da camada branca

A quantidade de carbono tem um pequeno efeito sobre a espessura, mas tem um efeito nítido sobre a composição da camada branca (ou seja, as percentagens de Gamma prime e ípsilon na camada).

A AMS (Aerospace Material Specification – Especificação de Material Aeroespacial dos EUA) 2759/10 (2006) identifica três classes de processos:

– Classe 0: Sem camada ;
– Classe 1: Camada branca permitida, com 1,27µm (máximo);
– Classe 2: Camada branca permitida, com 25,4µm (máximo).

Medindo a camada branca

Os testes de dureza (Rockwell superficial) e de microdureza (Knoop ou Vickers) são comumente usados para medir a espessura da camada superficial. A dureza da camada branca é obtida usando somente técnicas de microdureza (a técnica metalográfica e a seleção adequada da carga de entalhe são fundamentais para leituras precisas).

A profundidade efetiva da camada superficial na nitretação a gás é definida como o ponto na curva onde a dureza é igual à dureza do núcleo mais 4 pontos de HRC (50 HV). Por exemplo, quando a dureza do núcleo é igual a 30 HRC (300 HV), a profundidade efetiva da camada superficial é definida como o ponto onde a dureza é de 34 HRC (350 HV).

Avaliação metalográfica

A determinação da profundidade da camada superficial (ponto de contraste entre o núcleo e a superfície) pode ser feita por técnicas metalográficas. Reagentes adequados para exames macroscópicos (Tabela 1) e microscópicos (Tabela 2) são mostrados neste artigo.

Resultados

A camada branca (nitreto de ferro) pode ter de 5 – 50 µm, dependendo do comprimento do ciclo e se a nitretação de estágio simples ou duplo for realizada. A espessura é medida por métodos metalográficos: 5% de Nital ou 10% persulfato de amônia. (Nota: os reagentes escurecem a superfície, mas não a camada branca.)

– O processo de duas fases (Floe) produz uma camada superficial branca mais macia e dúctil do que o processo de estágio único. No processo de Floe a camada branca pode ser de, no máximo, 13 – 20 µm, o que ainda pode ser excessivo.

Eliminação da camada branca

Especificações de engenharia podem solicitar a remoção completa da camada branca, isto é, “sem camada branca” (0 µm de profundidade da camada branca). Os caminhos para alcançar isto incluem:

1. O uso de vários processos patenteados:
   – A patente 2.960.421 dos EUA atinge a remoção da camada branca de nitreto de ferro por um processo de difusão. As peças são completamente banhadas a cobre e, em seguida, aquecidas e mantidas a 524ºC por períodos de até 40 horas, dependendo da espessura da camada branca a ser removida;
   – A patente 3.069.296 dos EUA atinge a remoção da camada branca de nitreto de ferro pelo uso de uma solução alcalina simples que decompõe o nitreto de ferro, tornando-o quebradiço e removendo-o por limpeza por jateamento após a nitretação. Grão de óxido de alumínio 200-mesh é normalmente recomendado. Dependendo dos requisitos de acabamento superficial, tanto líquidos abrasivos ou jateamento com esferas de vidro podem ser substituídos por jateamento de areia. O procedimento não prejudica o acabamento da superfície e tem a vantagem de remover a lâmina de cobre (durante a imersão em solução alcalina) de peças banhadas pela nitretação selecionada. Testes indicam que não ocorre diminuição da dureza, resistência à fadiga ou ao impacto, e que erosão e corrosão não ocorrem na superfície se feito corretamente.

2. O uso de técnicas químicas:
   – Ácido Cítrico – As peças são pré-limpas e, então, imersas em uma solução de ácido cítrico aquecida a 68-77ºC por vários minutos. Após a lavagem, as peças são imersas em uma solução de neutralização e, em seguida, lavadas novamente. O jateamento com esferas de vidro (400 mesh, 40-80 psig) é, então, realizado, seguido novamente por uma operação de limpeza. Uma operação de alívio de tensões a 168-185ºC por várias horas (e dentro de quatro horas após a imersão ácida) conclui o processo;
   – Ácido Sulfúrico – As peças são pré-limpas e, então, imersas em uma solução de ácido sulfúrico aquecida a 75-90ºC durante vários segundos. Após a lavagem, as peças são imersas em uma solução de neutralização e, em seguida, lavadas novamente. O jateamento de óxido de alumínio (180 mesh, 40-60 psig) é, então, realizado, seguido novamente por uma operação de limpeza. Uma operação de alívio de tensões a 168-185ºC por várias horas (e dentro de quatro horas após a imersão ácida) conclui o processo.

3. O uso de técnicas de nitretação iônica:
   – Usinagem pós-nitretação e jateamento de esferas de vidro.

Renitretação

A renitretação não é recomendada. Uma peça deve ser corretamente nitretada pela primeira vez, caso tolerâncias dimensionais apertadas sejam necessárias. Não há nenhuma maneira satisfatória de “desnitretar” para uma renitretação em seguida (apenas uma camada superficial frágil é produzida). A superfície nitretada pode ser removida por polimento ou jateamento de areia e, em seguida, a peça pode ser renitretada, caso a mudança resultante das dimensões possa ser tolerada (geralmente não podem).

Solução de problemas

Os problemas mais comuns na nitretação estão detalhados na Tabela 4.

Dicas para nitretação

Uma grande variedade de aços, alguns aços inoxidáveis e certos aços ferramenta podem ser nitretados usando gás, íons (plasma) ou métodos de banho de sal. Três dos aços nitretados mais comuns são:
– SAE 4140. Este aço de baixa liga é comumente usado para aplicações de nitretação. A combinação de carbono e elementos de liga permite dureza do núcleo na faixa de 28-32 HRC desenvolvido por têmpera e revenido a temperaturas superiores a aproximadamente 28°C acima da temperatura do processo de nitretação;
– SAE 4340. Um aço de mais alta liga, usado quando uma dureza maior do núcleo é necessária, de até 39 HRC, ou maiores seções da peça exigem uma maior temperabilidade do aço;
– Nitralloy. Esta família de aços foi projetada especificamente para nitretação. A dureza comum do núcleo temperado e revenido é de 25-35 HRC. A vantagem dos aços Nitralloy é a sua excelente resposta a nitretação e a dureza superficial resultante (muito) alta, tipicamente na faixa de 62-65 HRC.

Independentemente do aço utilizado para a nitretação, dois métodos de tratamento térmico são comumente usados:
– Método 1. Para o mínimo de distorção: Têmpera e revenido à dureza especificada do núcleo – usinagem grosseira – alívio de tensões – usinagem de acabamento – nitretação – polimento leve, quando necessário;
– Método 2. Para usinabilidade máxima: Usinagem grosseira – têmpera e revenido à dureza especificada do núcleo – usinagem de acabamento – nitretação – polimento leve, quando necessário.

As profundidades típicas da camada superficial nitretada de aços são de 0,25-0,50 mm, porém profundidades mais rasas ou mais profundas são possíveis. Ciclos significativamente mais longos são necessários para profundidades da camada superficial de 0,50 mm, devido à lenta taxa de difusão de nitrogênio no aço. As profundidades para aços ferramenta e inoxidáveis são normalmente limitadas a 0,025-0,075 mm (0,001-0,003 polegada).

A profundidade da camada superficial é geralmente especificada como o total da camada, determinada por meio do ataque químico de uma amostra montada, ou pode ser definida como a profundidade em que certa dureza é obtida. A dureza relativa à profundidade da camada superficial deve ser especificada em termos da real dureza do núcleo (por exemplo, a profundidade em 110% do “núcleo” ou dureza do núcleo mais 3 pontos HRC), já que o gradiente de dureza em uma peça nitretada depende muito da dureza anterior.

Um típico subproduto da nitretação é a camada branca, uma fina camada de nitreto de ferro extremamente dura. Esta camada pode ou não ser evitada, mas na maioria dos casos deve ser mantida fina.

Considerações econômicas

Muitas vezes a nitretação é mais cara do que outros processos de endurecimento da camada superficial (devido principalmente à duração do ciclo), mas o aumento do custo é muitas vezes compensado pelas economias resultantes das pequenas distorções obtidas. Freqüentemente, o aumento do custo do processo de nitretação (sobre outros métodos de endurecimento da superfície) justifica-se por: simplificação dos procedimentos de fabricação; baixa temperatura do processo associada com a baixa manutenção de fornos; baixos custos trabalhistas; e limpeza do trabalho. A nitretação é menos custosa do que a maioria dos revestimentos ou outros tratamentos de superfície (Fig. 13).

A nitretação deve ser considerada para qualquer aplicação onde a resistência ao desgaste (particularmente o desgaste metal-metal), resistência à fadiga e redução da distorção são particularmente importantes. Porém, ela não é bem sucedida para aplicações envolvendo erosão ou abrasão de baixa tensão.

Aplicações típicas da nitretação

Basicamente, todo o ferro e aço pode ser nitretado. Aços de baixa-liga e não-liga podem ser nitretados na condição de recozimento. Aços de média-liga e alta-liga devem ser austenitizados, temperados e revenidos para desenvolver as propriedades ideais do núcleo antes de nitretação. Aplicações típicas incluem:
– Barris e camisas de cilindros;
– Buchas;
– Engrenagens;
– Pinos de pistão;
– Rotores;
– Eixos;
– Cubos de embreagem;
– Parafusos em U;
– Guia-fios e fusos;
– Cames;
– Virabrequins;
– Gabaritos;
– Rolos de laminadores de borracha e de papel;
– Barras para mandrilhar;
– Árvores de cames;
– Matrizes para fundição;
– Discos de embreagem IH.

Para mais informações, contate: Dan Herring, presidente do grupo HERRING GROUP Inc.; tel: +1 630-834-3017; e-mail: heattreatdoctor@industrialheating.com; web: www.heat-treat-doctor.com.