Influência dos parâmetros de processo na camada nitretada

Os parâmetros temperatura, tempo e composição do substrato também são importantes na formação da superfície nitretada. Em linhas gerais, a metalurgia da superfície nitretada pode ser controlada utilizando os seguintes procedimentos: (POORHAYDARI et al., 2006).

a) Baixo potencial de nitretação, com atmosferas compostas predominantemente por hidrogênio ou argônio. O baixo potencial de nitrogênio leva a urna camada nitretada isenta de camada de compostos, camada branca.

b) Elevado potencial de nitretação, com atmosferas compostas predominantemente de nitrogênio. Em casos de aços com baixo teor de carbono, menor do que 0,3% forma-se uma camada branca composta apenas de nitreto tipo γ’; em casos de aços com teor de carbono superiores a 0,3%, a camada de compostos é predominantemente formada pelo mesmo nitreto com uma pequena fração de ξ.

c) Elevado potencial de nitrogênio com introdução de metano. Estas superfícies, por ação do carbono do metano, terão camadas de compostos formadas predominantemente por nitreto tipo ε (nitrocementação).

A profundidade da camada nitretada, incluindo a zona de difusão, é controlada pela temperatura e tempo de processo, sendo dependente também do potencial de nitrogênio para a nitretação.

Portanto, o processo de nitretação por plasma destaca-se dos demais por ser o único processo que possibilita um controle completo sobre as características metalúrgicas da zona nitretada, permitindo variar o tipo dos nitretos que compõe a camada composta, γ’,e/ou ε e/ou outros assim como a profundidade da camada de difusão, com a possibilidade de eliminação dos nitretos de contorno de grão.

Mistura gasosa

De modo geral a mistura gasosa usada na nitretação a plasma é constituída de N2 e

H2 em diferentes concentrações e a presença de hidrogênio no plasma atua na

remoção de óxidos presentes na superfície da amostra. Eliminar estas camadas é muito importante porque elas diminuem o número de sítios ativos para a absorção de nitrogênio na superfície e assim, pode reduzir a eficiência do processo. Conforme já explicado, na nitretação a plasma é fundamental que, antes da nitretação, seja feito uma limpeza da superfície através de um sputtering com hidrogênio e também o argônio. Enquanto o hidrogênio age na despassivação do material o argônio por ser pesado irá abrir caminho através do choque de seus íons com a superfície.

Diagnósticos do plasma também mostram que adição de hidrogênio na mistura gasosa provoca um aumento da população de espécies excitadas no plasma e, em conseqüência, alterações no suprimento de nitrogênio atômico (FRANCO JR, 2003).

Além disso, o hidrogênio também influencia na formação da camada nitretada, assim, pela escolha adequada da mistura gasosa, é possível determinar qual a fase de nitreto que constituirá a camada nitretada. O controle da composição gasosa reside na possibilidade de gerar plasmas a partir de misturas controladas de

nitrogênio, hidrogênio, argônio e metano. A Figura 13 mostra as principais modificações da superfície nitretada por plasma a partir do controle destes elementos. Observa-se que uma elevação da quantidade de nitrogênio na mistura gasosa leva a formação da camada de compostos e controla qual o tipo de nitreto que a compõe. A adição de metano ao gás estabiliza o nitreto tipo ε. Porém, nem sempre isso acontece.

Figura 13 – Configurações da metalurgia da superfície nitretada em função da composição gasosa presente no plasma

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Fonte: O’Brien e Goodman, 1991.

Portanto, o controle preciso da concentração de nitrogênio e de outros gases na mistura gasosa possibilita obter uma superfície nitretada sem a presença de camada de compostos ou controlar qual o nitreto a ser formado nesta camada, direcionando assim, as propriedades da superfície para as diferentes solicitações. Por exemplo, se for o caso, é extremamente difícil produzir uma camada de compostos formada apenas pela fase ε-Fe2-3N usando a nitretação a plasma. Para este caso específico

Temperatura de tratamento

A temperatura é o parâmetro mais significativo na definição das camadas da nitretação devido a dois importantes fatores: primeiro a natureza química, intrínseca de cada tipo de nitreto (γ’-Fe4N e ε-Fe2-3N), que permite que certas fases

permaneçam estáveis apenas em determinada faixa de temperatura, e segundo a difusividade do nitrogênio através do substrato e da própria camada de compostos.

A temperatura altera os coeficientes de difusão do nitrogênio no aço e dos elementos que o constituem. Assim, o efeito global do aumento da temperatura inclui um aumento no coeficiente de difusão e do tamanho dos precipitados formados. O aumento da temperatura de tratamento causa o aumento da dureza em maiores profundidades e também em muitos casos a formação da camada branca.

Vários pesquisadores, (MIola et al., 2003; Sun; Bell, 1991; Lawall et al., 1993; Nolan et al.. 2006), observaram que a camada branca se forma mais facilmente em temperaturas de nitretação mais alta. Segundo eles, este fenômeno está associado à difusividade das espécies presentes. Quando a temperatura é muito baixa, a mobilidade atômica é reduzida e, como conseqüência, aumenta o tempo necessário para nucleação e crescimento de precipitados, logo maior é o tempo para formação da camada branca.

Tempo de tratamento

O tempo de tratamento nos processos de nitretação a plasma é outro fator importante na evolução das camadas de nitretos. A evolução das camadas em função do tempo pode ser explicada pela seguinte seqüência: No inicio do processo, a concentração de nitrogênio na superfície do substrato ainda é baixa e haverá uma grande difusão de nitrogênio na região interfacial da amostra, principalmente através dos contornos de grãos. À medida que o nitrogênio adsorvido na superfície da amostra se difunde para o interior desta, os espaços intersticiais do material vão sendo ocupados, tornando mais difícil o deslocamento. Assim, num dado momento, a superfície recebe mais nitrogênio do que é capaz de difundir, aumentando a concentração de nitrogênio na superfície o que propicia a nucleação das fases γ’-

Fe4N e/ou ε-Fe2-3N em pontos da superfície da amostra. Na seqüência, uma fina

camada de compostos forma-se na superfície. Primeiro a camada γ’-Fe4N torna-se

homogênea e cria-se um efeito de barreira dificultando a difusão do nitrogênio. Com isso eleva-se a concentração de nitrogênio na superfície, e é favorecida a formação da fase ε-Fe2-3N. Atinge-se então o equilíbrio de entrada e saída na região de

interação plasma/superfície para as condições termodinâmicas de nitretação. No entanto, a difusão continua a ocorrer a partir da face interna da camada de compostos para o interior da amostra. Assim, a zona de difusão continua a receber o nitrogênio à custa da deterioração da camada de compostos. Como a camada de difusão necessita de menos nitrogênio que a camada de compostos para ser formada, esta cresce mais rapidamente. Por fim, com o passar do tempo, a superfície modificada evoluirá para uma larga zona de difusão e uma fina camada de compostos, formada pelos nitretos γ’-Fe4N e ε-Fe2-3N que continua a crescer na

superfície em conseqüência da atividade do plasma.