UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE CENTRO DE CINCIAS E TECNOLOGIA UNIDADE ACADMICA DE ENGENHARIA MECNICA

JOO PEDRO ALMEIDA LIRA

ABORDAGEM E CONCEITUAO DA NITRETAO GASOSA

CAMPINA GRANDE 2011

JOO PEDRO ALMEIDA LIRA

ABORDAGEM E CONCEITUAO DA NITRETAO GASOSA

Trabalho apresentado Disciplina de Materiais de Construo Mecnica II, da Unidade Acadmica de Engenharia Mecnica da Universidade Federal de Campina Grande.

Campina Grande 2011

SUMRIO 1 INTRODUO..................................................................................................04 2 OBJETIVO GERAL..........................................................................................04 3 OBJETIVOS ESPECFICOS.............................................................................04 4 FUNDAMENTAO TERICA........................................................................05 5 TRATAMENTOS TRMICOS APLICADOS.....................................................07 6 APLICAES EM GERAL...............................................................................08 7 ESTUDO DE CASO..........................................................................................10 7.1 METODOLOGIA EXPERIMENTAL..................................................................10 7.2 RESULTADOS E DISCUSSES.....................................................................13 7.3 CONCLUSO...................................................................................................18 REFERNCIAL TEORICO..................................................................................19

1 INTRODUO A nitretao um processo termoqumico, de ampla aplicao industrial, que vem recebendo uma ateno cada vez maior por parte dos fabricantes de ferramentas, em face dos seus efeitos no aumento da dureza superficial, da reduo do coeficiente de atrito, do aumento da resistncia corroso, etc. Outro fator que merece destaque diz respeito temperatura relativamente baixa na qual se realiza esse processo, causando um mnimo de variao de volume nos componentes e ferramentas. Isso ocorre devido ao fato de o processo se efetivar no campo ferrtico dos aos. Trs processos de nitretao podem ser empregados na atualidade: a nitretao em banho de sal, a nitretao a gs e a nitretao a plasma; sendo os dois primeiros os mais usuais no Brasil. A nitretao a gs, processo empregado no presente trabalho, utiliza como fonte de nitrognio o gs amnia NH3, mediante o aquecimento das regies a serem nitretadas, ocorrendo a dissociao do referido gs segundo a Equao (1):2NH3 2N +

2 OBJETIVO GERAL O presente trabalho tem por objetivo abordar conceitos e expor a importncia denominado: do tratamento termoqumico nitretao comum na indstria metalrgica gasosa

3 OBJETIVOS ESPECIFICOS Verificar como se processa a nitretao gs.

Identificar as aplicaes para a nitretao;

4 FUNDAMENTAO TERICA Denomina-se nitretao o processo de difuso do nitrognio monoatmico proveniente de uma fonte (um gs, um sal, etc.) em contato com a superfcie de metais, com o objetivo de obter uma camada dura e resistente ao desgaste, atravs da formao de nitretos (meta) estveis em temperaturas na faixa de 490 - 570C. Segundo Mijiritski (1973), o primeiro passo na interao entre o gs e o metal a adsoro de uma molcula de gs na superfcie metlica. Para Chiaverini (1998), a nitretao gasosa pode ser feita em estgio simples ou duplo. No estgio simples, a temperatura varia entre 495 - 525C, enquanto que a taxa de dissociao da amnia fica entre 15 - 30%. Atravs da nitretao em estgio simples obtm-se uma camada superficial rica em nitrognio e frgil, conhecida como camada branca nitretada. Dos Anjos (2003) afirma que o produto da dissociao, pode ser absorvido pela massa metlica. A absoro ou a recombinao dependem da natureza do gs e do metal envolvido e, tambm, da temperatura e presso do sistema. Liliental e Larson (2000) aps estudar as reaes entre o gs amnia e o ferro, nas temperaturas de nitretaao, perceberam que o ferro funciona como catalisador de reaes de dissociao e, para o caso da amnia dissociada, formase uma atmosfera composta basicamnete de nitrognio e hidrognio e, de acordo com Nitrion (2001), pode ser dividida cronologicamente em duas etapas. So elas: 1 etapa: difuso do nitrognio e reao com a superfcie do Fe at que a camada nitretada de cobertura seja formada; 2 etapa: crescimento e endurecimento (vide tabela 1) da camada nitretada superficial e expanso subsequente do contorno da zona de difuso do nitrognio.

Tabela 1 Efeito de elementos de liga em relao formao de nitretos e sua reao sobre o endurecimento superficial Elemento Mangans Nquel Cromo Alumnio Molibdnio Nitretos que se formam (com Efeito sobre o endurecimento amnia) superficial Mn3N5 Quase nulo Sozinho, nulo Cr2N, CrN Forte Al3N3 Muito forte Medocre; junto com o cromo, mais forte (aumenta a penetrao) Nenhum Nulo TiN Bastante forte, mximo com o Cr ZrN (Zr3N2) Idem VN Medocre ou fraco; entretanto, notvel nos aos contendo Cr e Al. Si2N3 Quase nulo

Tungstnio Titnio Zircnio Vandio

Silcio

As vantagens da Nitretao Gasosa podem ser vistas em um estudo feito pela empresa Copertec Piracicaba citadas a seguir: 1) Os componentes nitretados com plasma sofrem menos distoro dimensional do que no caso da nitretao gasosa, devido menor temperatura requerida no tratamento e ao fato do processo ser realizado em vcuo; 2) Melhor acabamento das peas em funo da menor temperatura, forno limpo e uso do vcuo. Como conseqncia, elimina-se ou minimiza-se o trabalho das peas aps o tratamento. 3) Maior dureza superficial; 4) Permite conseguir melhores propriedades metalrgicas com materiais de custo menor; 5) Enquanto que a nitretao gasosa produz na superfcie uma camada composta de caractersticas quebradias (denominada camada branca), a nitretao com plasma produz uma camada densa, no porosa, muito dura mas no quebradia e com um baixo coeficiente de atrito, ao que se soma uma excelente resistncia ao desgaste;

6) Permite obter uma camada uniforme mesmo em peas de formas complexas; 7) Permite resultados reprodutveis e de qualidade constante devido ao controle microprocessado dos parmetros do processo; 8) Menor custo se comparado aos processos convencionais, por ser um processo mais rpido, que usa menores quantidades de produtos qumicos, sem necessidade de retrabalho e com menor refugo;

5 TRATAMENTOS TERMICOS APLICADOS Antes da nitretao gasosa, necessrio executar o tratamento trmico de tempera e de revenido (entre 600 C e 700 C) no ao. O tratamento trmico do ao chamado de tempera consiste, basicamente, em mergulhar bruscamente o ao, em lquido frio, aps t-lo aquecido alta temperatura. O estgio seguinte consiste em dar o tratamento trmico, ao ao, chamado revenido. O Revenido um tratamento que tem por finalidade eliminar as tenses provocadas pelo resfriamento na tmpera e dar, s peas temperadas, a melhor tenacidade possvel. Deve ser efetuado imediatamente aps da tmpera, para no deixar as peas sob as tenses resultantes desse tratamento. A finalidade reduzir ou retirar as tenses internas provocadas pela martensita. A durao do revenido est diretamente ligada ao tipo de ao e a espessura mdia das peas. Feitos os tratamentos, uma estrutura sorbtica ser formada, que atravs da tmpera, proporciona grande dureza e tenacidade. Aps a usinagem inicial da pea, onde pode ocorrer a remoo de material entre 0,8 a 1,0mm de espessura, aconselha-se a fazer outro revenido em peas delicadas, mas agora em menor temperatura, entre 500 C e 600 C, para eliminar as novas tenses criadas devido a usinagem.

6 APLICAES EM GERAL

Aos contendo alumnio ao serem nitretados adquirem dureza muito alta e excelente resistncia ao desgaste. No entanto, tem baixa ductilidade e essa limitao deve ser cuidadosamente considerada na seleo de aos contendo alumnio. Em contraste, A liga ferro-cromo, ao ser nitretada, obtm ductilidade consideravelmente Sendo maior, possvel mas sua com menor utilizao dureza. em:

- Virabrequins de alto desempenho para motores de automveis e avies obtendo uma melhor resistncia fadiga e desgaste propriedades em mancais; - Moldes, necessitam de tmpera e tratamento criognico. Esta combinao de tcnicas de processamento confere excelentes propriedades na ferramenta, como uma vida longa, resistncia ao desgaste, e outros danos, e estabilidade dimensional; - Mecanismo de trem de pouso, especificaes aeroespacial muitas vezes chamada de nitretao controlada com camada branca (havendo difuso profunda). Nitretao bem controlada produz um caso de excelente resistncia ao desgaste e propriedades de tenacidade; Eixo, ao ser nitretados acaba por propriedades anticorroso, bem como uma aparncia atraente; obter excelentes

Engrenagens para mquinas pesadas e para os pequenos acessrios automotivos, eliminando os custos das operaes de acabamento necessrias aps cementao; Anis de pisto, com alta dureza de superfcie em temperaturas elevadas e boa resistncia ao desgaste em decorre de baixo coeficiente de atrito. prematura. Molas, nitretadas para melhorar a sua resistncia fadiga ou uma falha Injetores de combustvel e Pontas de pulverizao

Em automveis, Alm disso ainda usado em: Sistema ABS; Placas de disco; Brao Eixos Rocker; Molas da embreagem; Vlvulas do motor; Balancins (ao carbono); Juntas esfricas; Guias de vlvulas do motor; Balancins (Mecanismo de Marinha); Pistes de freio; Injetores de combustvel; Trilhos do assento; Placas de pastilhas de traves, Molas a gs; Amortecedores; Placas de junta; Sincronizador de componentes; Articulaes Cardan; Engrenagens para bombas hidrulicas; Conversor de torque de transmisso; Placas de embreagem; Componentes hidrulicos de Mecanismos de Dump Truck-Lifting; Coroa do eixo traseiro; Virabrequins; Cilindros hidrulicos; Molas de suspenso; Cilindro mangas bloco; Ligaes mecnicas; Vlvulas (incluindo vlvulas de escape de ao inoxidvel austentico); Camisas de cilindro; Anis de pisto; Eixos Wiper; Caixas diferencial (Ferro Fundido); Molas de valvula de preciso; Entre outros.

Figura 1 Peas em que usada a Nitretao Gasosa

7 ESTUDO DE CASO

Estudo de caso feito por Egberto Gomes do Franco do Instituto de Pesquisas Energticas e Nucleares Ipen USP, em parceria com Jan Vatavuk, Adayr Brro Jr e Waldemar A. Monteiro EFEITO DA NITRETAO GASOSA NAS PROPRIEDADES MECNICAS DOS AOS FERRAMENTA PARA TRABALHO A FRIO AISI D2 E D6

7.1 METODOLOGIA EXPERIMENTAL As barras recozidas de dimetro 50,80mm dos aos AISI D2 e AISI D6, utilizados no presente trabalho, foram submetidas composio qumica pelo mtodo de via mida. Corpos de prova para ensaio de flexo 4-pontos e ensaio Charpy sem entalhe foram confeccionados utilizando-se mquinas mecnicas usuais como torno, fresa e retfica. As amostras para ensaio de flexo 4-pontos mediam 5mm de dimetro, com 60mm de comprimento. Os corpos de prova para o ensaio de impacto Charpy sem entalhe apresentaram geometria da seo transversal retangular de 7mm x 10mm e comprimento de 55mm. Foram preparados 15 corpos de prova para cada ao em questo. Em seguida todos os corpos de prova foram submetidos a tratamentos de tmpera e revenimento, segundo parmetros usuais da indstria, como ilustra a Tabela 1.

Aps essa etapa, corpos de prova foram submetidos nitretao gasosa, seguindo os parmetros apresentados na Tabela 2. Cinco amostras para Charpy e cinco amostras para flexo 4-pontos foram separadas para posterior comparao dos resultados com aquelas nitretadas.

Vale ressaltar que os parmetros utilizados nas Tabelas 1 e 2 foram baseados nos processos usuais do mercado de ferramentas. As medidas de microdureza Vickers foram realizadas em durmetro Shimazu tipo H com carga de 0,050kg, para estrutura recozida, estrutura temperada, estrutura temperada e revenida e camada (perfil). A etapa de microscopia ptica envolveu a de preparao das amostras utilizando-se os seguintes equipamentos: Cut-off; embutidora; lixadeira e politriz. As observaes foram realizadas em microscpio Olimpus, modelo BX 60M, monitor Sony Trinitron PVM 1353MD, e fotos foram realizadas com mquina digital Nikon Coolpix 800 acoplada. A preparao das amostras com camada nitretada passou por tcnicas especiais, como rotao de 10 em cada lixamento, em vez de 90 (procedimento normal), com objetivo de preservar a camada. A microscopia eletrnica de varredura foi realizada no microscpio Philips XL 30 do Ipen, USP.

7.2 RESULTADOS E DISCUSSES A Tabela 3 apresenta a composio qumica dos aos AISI D2 e D6 utilizados no presente trabalho.

As Figuras 2A e 2B apresentam o aspecto tpico observado na microestrutura desenvolvida, aps o processo de nitretao gasosa, para os aos AISI D2 e D6, respectivamente.

As medidas de microdureza realizadas nos aos D-2 e D-6 nitretados esto apresentadas na Figura 3.

A profundidade das camadas nitretadas obtidas por meio da anlise metalogrfica das Figuras 2A e 2B para os aos D2 e D6 apresenta valores prximos, por volta de 100mm. Um comportamento semelhante para os dois aos no que diz respeito profundidade da camada nitretada tambm observado por meio dos perfis de microdureza mostrados na Figura 3. Um fato que chama a ateno que a profundidade tratada nas medidas mecnicas maior do que as obtidas em anlise metalogrfica, pelo menos quando o ataque utilizado para revelar a microestrutura Nital. As curvas de microdureza obtidas indicam uma melhor resposta para o ao D2 em relao ao D6, com valores sistematicamente superiores. Uma possvel explicao para a melhor resposta da liga AISI D2 pode estar relacionada presena do molibdnio, conforme pode ser visto na Tabela 3. Os resultados referentes aos ensaios de flexo 4-pontos e impacto para os aos nas condies temperado e revenido, com e sem a aplicao doprocesso de nitretao, podem ser vistos nas Figuras 4 e 5, respectivamente.

O exame das Figuras 4 e 5 indica que o tratamento de nitretao provoca uma reduo das propriedades mecnicas tanto no ensaio de flexo 4-pontos, traduzido pelo mdulo de ruptura, como no ensaio de impacto Charpy, inferido pela energia absorvida. Para os dois aos, o decrscimo das propriedades mecnicas, aps a nitretao a gs, foi mais notado no ensaio de impacto (reduo de cerca de quatro vezes) do que no ensaio de flexo 4-pontos. Sabe-se com base em resultados indicados na literatura, que, de uma maneira geral, o processo de nitretao aumenta a resistncia fadiga de alto ciclo para os aos-carbono. A reduo das propriedades mecnicas medidas pelos parmetros mdulo de ruptura e energia absorvida em ensaio de impacto Charpy vai

em sentido oposto, sendo, portanto, uma indicao importante, no contemplada na literatura, a qual no apresenta valores mensurados. A Figura 6 traz o aspecto das fraturas ocorridas no ensaio flexo de 4-pontos e Charpy para o AISI D2 submetido tmpera e revenido (A), assim como temperado e revenido mais nitretao gasosa (B). As Figuras 7A e 7B, idem, porm para o AISI D6.

O exame das Figuras 6 e 7 indica que, na condio de temperado e revenido, os dois materiais se rompem em trs partes, tanto no ensaio de impacto Charpy, quanto no ensaio de flexo 4-pontos, em funo de uma ramificao da trinca na partefinal de sua trajetria. Esse fato no observado aps a aplicao do processo de nitretao a gs, o que constitui a principal diferena observada nos modos de ruptura entre os materiais com e sem aplicao do processo de nitretao. As superfcies de fratura observadas nas Figuras 6 e 7 indicam a presena de marcas radiais mais bem definidas para o ao AISI D2 em relao ao D6, o que pode estar relacionado com o menor teor de carbono do primeiro, o que se traduz por uma menor frao volumtrica de carbonetos. As Figuras 8A e 8B apresentam as observaes realizadas por meio da microscopia eletrnica de varredura (MEV), para as ligas AISI D2 e D6, respectivamente, submetidas nitretao gasosa.

Tanto os corpos de prova rompidos no ensaio de flexo como aqueles rompidos no ensaio de impacto apresentaram aspectos de fratura no microscpio eletrnico de varredura, conforme apresentados nas Figuras 8A e 8B. Pode-se inferir a complexidade do mecanismo de fratura em microestruturas compostas de grande frao volumtrica de partculas frgeis, carbonetos, em uma matriz martenstica revenida. Sabe-se que na martensita revenida, quando a fratura apresenta carter transgranular, esta ocorre pelo mecanismo de quasi-clivagem. A interao da clivagem das partculas frgeis com o processo de fratura na martensita revenida gera um aspecto topogrfico da face de fratura que se assemelha quasi-clivagem, podendo-se eventualmente manter a denominao, com ressalvas.

7.3 CONCLUES O processo de nitretao gasosa reduz as propriedades mecnicas dos aos ferramenta para trabalho a frio AISI D2 e AISI D6, temperados e revenidos, tanto no ensaio de impacto, quanto no ensaio de flexo 4-pontos. A liga AISI D2 apresentou melhor resposta ao processo de nitretao a gs em termos de incremento de dureza superficial. A reduo das propriedades mecnicas advindas do processo de nitretao gasosa foi mais acentuada no ensaio de impacto. Tanto o AISI D2 como o AISI D6

apresentaram reduo de cerca de quatro vezes para os valores de energia absorvida. A anlise de fratura realizada para as amostras nitretadas a gs mostrou um complexo mecanismo de fratura, tpico de estruturas com alta frao de partculas frgeis.

REFERNCIAS BIBLIOGRAFICAS

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