A nitretação é um tratamento termoquímico de baixa temperatura utilizado para aumentar a dureza superficial, a resistência ao desgaste e a resistência à fadiga de componentes de aço. Devido à sua baixa temperatura de processamento, garante excelente estabilidade dimensional, tornando-se essencial para peças de precisão, como fusos de máquinas-ferramenta, virabrequins e matrizes de extrusão, onde são exigidas alta durabilidade e mínima deformação.
O que é nitretação?
A nitretação é um processo de tratamento térmico químico no qual átomos de nitrogênio são infiltrados na camada superficial de uma peça de trabalho a uma determinada temperatura.
Após a nitretação, as peças de aço formam uma camada superficial composta de nitretos, que apresenta dureza muito elevada (1000–1100 HV) e mantém essa dureza inalterada mesmo a 600–650 °C, proporcionando assim excelente resistência ao desgaste e dureza a quente. Após a nitretação do aço, o volume da camada nitretada aumenta, gerando tensão compressiva na superfície que melhora significativamente a resistência à fadiga. Além disso, a baixa temperatura de nitretação resulta em distorção mínima da peça. A superfície nitretada forma uma camada densa de nitreto com alta estabilidade química, oferecendo boa resistência à corrosão e estabilidade em água, vapor superaquecido e soluções alcalinas.
Os aços para nitretação incluem o 35CrAlA e o 38CrMoAlA. Antes da nitretação, as peças devem passar por têmpera e revenido para estabilizar a microestrutura do núcleo e obter boas propriedades mecânicas em geral, garantindo alterações dimensionais mínimas durante o uso, sem necessidade de tratamento térmico adicional após a nitretação.
A nitretação é aplicada principalmente em peças de máquinas que exigem alta resistência à fadiga, boa resistência ao desgaste e dimensões precisas, como eixos e buchas de máquinas de mandrilar e retificar, engrenagens helicoidais e virabrequins de motores a diesel. Devido ao seu excelente desempenho de polimento superficial e certa resistência à corrosão, também é utilizada em moldes de plástico.
Os métodos de nitretação atualmente em uso incluem principalmente a nitretação gasosa e a nitretação por plasma.
Nitretação de gás
A nitretação gasosa, também conhecida como nitretação branda gasosa, é realizada em um forno de poço do qual o ar foi previamente evacuado. A peça de trabalho, desengordurada e limpa, é colocada em um forno selado, aquecida e o gás amônia é introduzido. A amônia se decompõe acima de 380 °C para produzir átomos de nitrogênio ativos, de acordo com a seguinte reação:
2NH₃ → 3H₂ + 2[N]
Os átomos de nitrogênio ativos são absorvidos pela superfície do aço, formando uma solução sólida e nitretos (como o AlN). Com o prolongamento do tempo de nitretação, os átomos de nitrogênio difundem-se gradualmente para o interior, resultando em uma camada nitretada de determinada profundidade.
As temperaturas comuns de nitretação situam-se entre 550 e 570 °C, e o tempo de nitretação depende da profundidade da camada desejada. Geralmente, a profundidade da camada nitretada é de 0.4 a 0.6 mm, exigindo de 40 a 70 horas, portanto o ciclo de produção para nitretação gasosa é relativamente longo.
O processo de nitretação gasosa inclui quatro etapas: preparação pré-nitretação, evacuação e aquecimento, manutenção da nitretação e resfriamento. Para garantir uma nitretação uniforme, as peças devem ser desengorduradas com gasolina ou álcool antes do carregamento. A superfície limpa deve estar livre de ferrugem ou contaminantes. Para áreas que não requerem nitretação, podem ser utilizadas medidas anti-nitretação, como revestimento de estanho, revestimento de cobre ou aplicação de revestimento. Deve-se evitar o contato com peças nitretadas, pois arestas vivas frequentemente formam camadas mais profundas e quebradiças. Após a nitretação, as peças devem ser manuseadas com cuidado ao serem removidas para evitar colisões; peças finas e de precisão devem ser suspensas para resfriamento, a fim de evitar distorções e novas tensões.
Devido à baixa eficiência de decomposição da amônia, a nitretação gasosa é geralmente adequada para nitretar aços que contêm elementos como Al, Cr e Mo. É utilizada principalmente em peças de precisão com alta resistência ao desgaste e requisitos de precisão dimensional, peças críticas sob cargas alternadas e componentes resistentes ao calor e ao desgaste, como fusos de mandriladoras, engrenagens de precisão de alta velocidade, virabrequins de motores a diesel de alta velocidade, válvulas e moldes de fundição.
Nitretação Plasma
A nitretação por plasma é realizada utilizando o fenômeno de descarga luminescente entre a peça de trabalho (cátodo) e o ânodo sob um determinado nível de vácuo, sendo por isso também conhecida como nitretação por plasma de descarga luminescente.
Crédito de imagem: ScienceDirect
A peça metálica é colocada como cátodo em um recipiente de pressão negativa contendo um meio com nitrogênio. Ao ser energizada, os átomos de nitrogênio no meio são ionizados, formando uma região de plasma entre o cátodo e o ânodo. Sob o forte campo elétrico na região de plasma, íons positivos de nitrogênio e hidrogênio bombardeiam a superfície da peça em alta velocidade. Esse bombardeio iônico causa a pulverização atômica na superfície, purificando-a, enquanto o nitrogênio se infiltra na superfície por adsorção e difusão.
Em comparação com a nitretação gasosa convencional, a nitretação por plasma oferece as seguintes vantagens:
- Ciclo de nitretação adequadamente encurtado.
- Redução da fragilidade na camada nitretada.
- Economia no consumo de energia e amônia.
- Capacidade de proteger áreas que não necessitam de nitretação para tratamento localizado.
- A purificação da superfície por bombardeio iônico remove as películas passivas, permitindo a nitretação direta de aços inoxidáveis e resistentes ao calor.
- Espessura e microestrutura da camada nitretada controláveis.
As desvantagens incluem alto investimento em equipamentos, distribuição desigual de temperatura e requisitos operacionais rigorosos.
A nitretação por plasma é adequada para peças de alta velocidade e com cargas leves que exigem resistência ao desgaste e à corrosão, bem como para componentes de haste fina de alta precisão, como fusos de máquinas de mandrilar, fusos de esferas de máquinas-ferramenta de precisão, hastes de válvulas e válvulas.
Aços para nitretação
Para obter uma camada nitretada de alta dureza e resistência ao desgaste na superfície do aço, é necessário utilizar aços-liga contendo elementos de liga específicos para a nitretação. Isso ocorre porque os nitretos formados com certos elementos de liga são muito mais estáveis do que os nitretos de ferro e se distribuem com alta dispersão na camada nitretada, resultando em uma dureza muito elevada.
Os elementos de liga comuns incluem Al, Cr, V, Mo, Mn e W. Os aços para nitretação mais utilizados são o 38CrMoAl e o 35CrAl, que proporcionam dureza superficial muito elevada e resistência ao desgaste após a nitretação. Os aços para melhorar a resistência à fadiga incluem o 38CrA, o 40CrNiMoA e o 18Cr2Ni4WA; os aços inoxidáveis incluem o 45Cr14Ni14W2Mo e o Cr10Si2Mn; os aços para matrizes incluem o 3Cr2W8V; e os aços para molas incluem o 50CrVA.
Tratamento térmico preparatório para nitretação
O processo típico de fabricação de peças nitretadas é: forjamento → recozimento (ou normalização + revenimento em alta temperatura) → usinagem de desbaste → têmpera e revenimento → semiacabamento → alívio de tensões → acabamento → nitretação → retificação ou polimento final.
Conforme observado na rota de fabricação, os tratamentos térmicos preparatórios antes da nitretação incluem recozimento (ou normalização + revenido em alta temperatura), têmpera e revenido, e alívio de tensões.
Essas etapas preparam o processo para a nitretação, já que, geralmente, as peças não passam por nenhum outro processo de usinagem após a nitretação.
O recozimento e a normalização refinam a microestrutura, melhoram a usinabilidade, eliminam tensões internas e preparam o material para têmpera e revenido.
Têmpera e Têmpera
O processo de têmpera e revenido é um tratamento térmico preparatório crucial, que visa obter uma microestrutura de sorbita uniforme e refinada. Isso não só garante boas propriedades mecânicas em todo o núcleo, como também proporciona a preparação microestrutural necessária para a nitretação.
Os parâmetros de têmpera e revenido afetam significativamente a qualidade da nitretação. Para o aço 38CrMoAlA, os pontos críticos são mais elevados: Ac1 = 790 °C, Ac3 = 900 °C, Ar1 = 740 °C. Além disso, o alumínio estabiliza a ferrita, tornando-a menos solúvel na austenita durante o aquecimento, portanto, as temperaturas de normalização e têmpera devem ser elevadas, com tempos de permanência cerca de 1.5 vezes maiores do que para aços estruturais de liga em geral.
Se a temperatura de têmpera for muito baixa ou o tempo de permanência for insuficiente, levando à dissolução incompleta da ferrita na austenita, a ferrita livre na superfície durante a nitretação aumentará consideravelmente a fragilidade da camada. Por outro lado, uma temperatura de têmpera excessivamente alta causa o crescimento dos grãos de austenita, fazendo com que os nitretos se estendam preferencialmente ao longo dos contornos de grão, resultando em estruturas onduladas ou em forma de rede pronunciadas na camada nitretada.
Temperamento A temperatura também influencia bastante a qualidade da nitretação. Ela determina a dureza após a têmpera e o revenido: temperaturas de revenido mais altas diminuem a dureza, reduzem a dispersão de carbonetos na matriz, facilitam a infiltração de nitrogênio durante a nitretação, aumentam a taxa de penetração e aprofundam a camada. À medida que a temperatura de revenido aumenta, a dureza da camada nitretada diminui, com uma leve redução na dureza do núcleo.
Para peças com formatos complexos, o recozimento de alívio de tensões é necessário para eliminar as tensões induzidas pela usinagem e reduzir a distorção durante a nitretação. Para evitar a redução da dureza obtida após têmpera e revenido, a temperatura de alívio de tensões deve ser de 40 a 70 °C abaixo da temperatura de revenido, com um tempo de permanência adequadamente prolongado e resfriamento lento abaixo de 150 °C antes da remoção.
Tabela 1: Processos preliminares de tratamento térmico para nitretação gasosa
| Material | Processo de tratamento térmico preliminar |
| Peças estruturais gerais em aço / Peças com baixos requisitos de resistência ao impacto | Têmpera e revenido (Q&T). A temperatura de revenido em alta temperatura deve ser de 20 a 40°C superior à temperatura de nitretação; o tempo de permanência não deve ser excessivo. |
| Aço 38CrMoAl | A normalização pode ser utilizada, mas a taxa de resfriamento deve ser rápida. A normalização é proibida para peças com grandes seções transversais. O processo de têmpera e revenido deve ser utilizado; caso contrário, os nitretos aciculares podem não aparecer facilmente na camada nitretada. Para aços para ferramentas e matrizes, a têmpera e o revenido são normalmente realizados antes da nitretação; o recozimento é proibido. |
| Peças esbeltas, de paredes finas, complexas e de precisão | É necessário realizar um ou mais tratamentos de alívio de tensões antes da nitretação. A temperatura de alívio de tensões é geralmente inferior à temperatura de revenimento, mas superior à temperatura de nitretação. |
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