TRATAMENTO TERMOQUÍMICO DE NITRETAÇÃO O tratamento termoquímico de nitretação é um método

de endurecimento superficial muito utilizado em aços, o processo ocorre através da difusão de nitrogênio para dentro da superfície do substrato, formando nitretos. A nitretação utiliza temperaturas menores do que a cementação, desta forma a distorção e a tendência de formar trincas no material são menores, e também não são necessários tratamentos térmicos como têmpera para produzir o endurecimento da camada nitretada (SILVA e MEI, 2006).

A nitretação é um tratamento que trabalha abaixo da linha A1 do diagrama de equilíbrio ferro carbono, ou seja, abaixo da faixa de austenitização, não alterando, assim, as propriedades dos aços.

A difusão atômica do nitrogênio no aço pode produzir duas camadas superficiais distintas: a camada composta, também chamada de (camada branca) e a camada de difusão, também chamada de (zona de difusão).

A camada composta (camada branca) é constituída de nitretos de ferro γ’ (Fe4N) quando em concentrações acima de 5,5% em peso de nitrogênio (N) e a camada de difusão (zona de difusão) é constituída de nitretos de ferro ε (Fe2-3N) quando em concentrações acima de 7,35% em peso de N. Abaixo desta camada composta, é formada a camada de difusão, que consiste da reação do nitrogênio por difusão com o material base (substrato). A espessura da camada de difusão irá depender do tempo e da temperatura, podem ser formadas camadas acima de 0,10 mm (RANALLI et al., 2009).

Geralmente se deseja obter após a nitretação uma combinação da camada composta pelas fases γ’(Fe4N) e ɛ (Fe2- 3N). A solubilidade máxima do nitrogênio na matriz ferrítica é de aproximadamente 0,1% a temperatura de aproximadamente 590°C, ao se atingir este teor de nitrogênio começa a precipitar

os nitretos γ’(Fe4N). Se as concentrações de nitrogênio excedem 6% começam a surgir os nitretos ɛ (Fe2-3N), de acordo com a Figura 15 que mostra o diagrama de fases Fe-N (PYE, 2003; CHIAVERINI, 1987).

Figura 15 – Sistema Fe-N.

Fonte: SILVA e MEI (2006).

A camada branca composta de nitretos ɛ (Fe2-3N), devido à sua elevada dureza, pode levar o ferramental à quebra prematura, diminuindo a vida útil do material, devido à fase ε ser microconstituinte duro e a fase γ’ um microconstituinte tenaz. A formação e composição da camada branca dependem da mistura gasosa, que pode se escolher a porcentagem de cada gás utilizada no processo iônico (RANALLI,2009).

Existem três principais tipos de nitretação: líquida, gasosa e por plasma. A nitretação sólida é uma técnica que não é muito utilizado, mas apresenta bons resultados.

Na nitretação líquida, a peça na qual se deseja obter a nitretação é submetida a um banho utilizando nitrato de potássio (KNO3), onde a fonte do nitrogênio é obtida através da decomposição de KNO3, em óxido de nitrogênio (NO) e dióxido de nitrogênio (NO2), utilizando temperaturas entre 520 e 570 °C (MIN-KU et al., 2010; SHEN, 2005).

Na nitretação gasosa a peça é submetida a uma atmosfera de amônia em temperaturas entre 500 e 565 °C, a reação acontece devido à decomposição da amônia (NH3⇌ (N) + 3/2 H2) (SILVA e MEI, 2006; AKHTAR, ARIF e YILBAS, 2010).

Na temperatura de nitretação convencional, para aços, a amônia se encontra em um estado termodinâmico instável e se decompõe em nitrogênio e hidrogênio. Com a liberação dos átomos de nitrogênio eles reagem quimicamente com os átomos de ferro por difusão, formando os nitretos de ferro sobre a superfície do material e formando a chamada camada branca (HASSANI-GANGARAJ e GUAGLIANO, 2013). Na prática a nitretação gasosa não necessita de uma mudança de fase, austenita para ferrita (PYE, 2003).

A nitretação a plasma é uma técnica de endurecimento superficial através de plasma utilizando a tecnologia de descarga luminosa para introduzir átomos de nitrogênio na superfície do metal e difundir nitretos para dentro do material, cuja dureza elevada melhora a resistência ao atrito e ao desgaste (ASM INTERNATIONAL, 1991; PYE, 1995; BASSO et al., 2010). A nitretação a plasma ocorre em três processos específicos:

Sputtering: aplica o processo de pulverização catódica, este processo ocorre a “limpeza” da superfície do material com a remoção de óxidos, onde os átomos de hidrogênio que são acelerados ionicamente interagem com a superfície retirando os átomos de oxigênio deixando a superfície limpa para a deposição de nitrogênio.

Adsorção: processo de adesão de átomos de nitrogênio e outros átomos utilizados na atmosfera sobre uma superfície.

Desorção: processo de saída de átomos e moléculas aderidas em uma superfície para a atmosfera (FIGUEROA, 2006). Estes processos podem ser vistos na Figura 16.

Figura 16 _{– Esquema do processo de nitretação a plasma.}

Fonte: FIGUEROA 2006.

A nitretação sólida é considerada um processo simples se comparada com outros processos de nitretação, mas ainda é pouco utilizada. Neste processo utiliza-se um granulado sólido rico em nitrogênio denominado comercialmente pelo fabricante de Turbonit k-20®.

Para a nitretação sólida a amostra é imersa neste granulado em um recipiente vedado com a finalidade de obter o máximo de isolamento, em seguida colocado em um forno convencional do tipo mufla. A nitretação ocorre com a

liberação de nitrogênio do granulado através do aquecimento, possibilitando a difusão deste para a subsuperfície da amostra. Este método de nitretação, apesar de ser chamado de sólida, na realidade ocorre através de nitretação gasosa. Durante o aquecimento o granulado gera nitrogênio atômico que entra em contato com a superfície da amostra possibilitando a introdução deste elemento na superfície.

Por ser um processo de baixo custo, que não utiliza equipamentos especiais e caros, pode-se verificar nele um grande potencial porque possibilita a obtenção de resultados bem significativos com a utilização deste granulado (ALMEIDA, 2009; MILAN et al., 2009; FRANCO et al., 2011).

FRANCO et al., (2011) realizou nitretação sólida no aço ferramenta M2 fabricado por metalurgia do pó, O processo foi realizado a temperatura de 560 ºC por 3 h. Já ALMEIDA, (2009) e MILAN et al., (2009) a nitretação sólida foi aplicada em aços ferramenta (AISI H13, AISI P20 e N-8550), a nitretação foi realizada a temperatura de 560 ºC por um tempo de 10 h.

A Figura 17 ilustra o perfil da micrografia da camada nitretada do aço AISI H10, de duas diferentes maneiras, uma nitretada em banho de sal e outra nitretada a plasma, ambas foram obtidas por microscópio eletrônico de varredura (MEV). A Figura 17 (a) mostra a camada nitretada em banho de sal. Pode-se observar a formação da camada de difusão (região escura) e da camada de compostos (ou também chamada camada branca), a qual é comumente constituída por nitretos de ferro γ’(Fe4N) e nitretos de ferro ε (Fe2,3N).

A camada composta apresentou uma espessura de aproximadamente 10 μm, a camada de difusão apresentou aproximadamente 130 μm de espessura com formação da rede de nitretos precipitados em contorno de grão em toda extensão da camada de difusão.

A Figura 17 (b) mostra que a nitretação a plasma com concentração de 20% [(N2 / N2 + H2)], durante 12 horas e na temperatura de 510°C, resultou na formação de uma camada composta com aproximadamente 7 μm de espessura e uma camada de difusão com nitretos em rede precipitados em contornos de g_{rãos com aproximadamente 170 μm (RANALLI,}

et al., 2009).

Figura 17 – Micrografia do perfil da camada nitretada do aço AISI H10 mod., obtida por microscopia eletrônica de varredura. (a) Após nitretação em banho de sal. (b) Após nitretação a plasma.

Fonte: RANALLI et al., 2009.

2.3 TRATAMENTO DUPLEX OU MULTICAMADAS