Nitretação a Plasma. Nitretação a Plasma. João Carmo Vendramim, Eng.MSc ISOFLAMA Indústria e Comércio de Equipamentos Ltda -

Transcrição

1 Nitretação a Plasma João Carmo Vendramim, Eng.MSc ISOFLAMA Indústria e Comércio de Equipamentos Ltda -

2 Processos de Degradação da Superficie Químicos (ácidos, sais, gases,...) Térmicos (altas temperaturas, oxidação,...) Atmosférica (umidade, chuva, neve, água do mar) Mecânica: (abrasão, erosão, adesão, fadiga...)

3 Engenharia de Superficie Objetivo Modificar a superficie de um componente (liga ferrosa) para promover propriedades superficiais diferentes das do núcleo Benefícios do Tratamento de Superfície Melhorar propriedades em serviço Incrementar tempo de vida em trabalho Economia de produção

4 Tipos de Tratamentos Superficiais 1. Adicionar camadas de material ao substrato Ex.: PVD / CVD, Spray térmicos, Modificar a superfície sem alteração química do substrato Ex.:: Têmpera Indução, Shot Peening, Modificação da superfície pela alteração da constituição do substrato Tratamentos Termoquímicos de Difusão

5 Tratamentos Termoquímicos de Difusão Cementação / Carbonitretação: C, ou C e N Nitretação / Nitrocarbonetação: N, ou N e C

6 O que é a Nitretação? Processo de enriquecimento com nitrogênio a superfície de ligas ferrosas O que forma na superfície? Camada de nitretos e nitrogênio dissolvido na matriz ferrítica até uma profundidade podendo alcancar 1 milímetro

7 Fina camada de óxido, camada branca e zona de difusão (Camada de Óxido, Fe 3 O 4 ) Camada Branca, Fe 2-3 N, Fe 4 N Zona de Difusão substrato 1-2 µ 5-20 µ µ x Allgemein-

8 K N Potencial de Nitrogênio Determina a quantidade termodinâmica da concentração de nitrogênio em equilíbrio na superfície do aço. Esta concentração não poderá ser excedida para uma dada temperatura K N -T Diagrama Equilíbrio (Lehrer / Maldzinski) log (KN) (atm -1/2 ) o C F e - N % N %N % N 0.0 3% N ' KN (atm -1/2 ) x /K 0.0 3

9 O controle do potencial de nitrogênio resulta em: Composição de Fases Propriedades Mecânicas

10 Efeito de Canto na nitretação do aço H13 nitretação a gás tradicional Nitretação com controle K N

11 Microestrutura da Camada Nitretada noaço Carbono

12 Microestrutura da Camada Nitretada em Aços Ligados

13 Microestrutura de Aço Inoxidável Austenitico Camada Nitretada

14 Camada para Aço Inoxidável Martensítico

15 Breve história da Nitretação Nitretação Gás Convencional (sem Controle PN) Nitretação (Iônica) por plasma anos 1930 Nitretação em Banho de Sal 1950 Nitretação Gás (com Controle do PN) Nitretação por Plasma (Plasma Pulsado) 80/90

16 Etapas das Nitretação a Plasma NITRETAÇÃO ( ºC) Pós-oxidação Nucleação (Ativação) ( ºC) ( ºC) Vácuo e Purga (N2)

17 Proposta do tratamento termoquímico de Nitretação Aumentar a Dureza Reduzir o Desgaste Minimizar Corrosão Melhorar a Fadiga

18 Efeito dos Elementos de Liga Tensão Residual

19 Resistência ao Desgaste Resistência a Corrosão

20 Resistência à Fadiga Resistência ao Desgaste

21 Forno Nitretação a Gás Desenvolvimento processo com mistura de gases: (NH 3 / N 2, NH 3 / dnh 3, NH 3 / C- Gas) Processo de Multiplos Estágios Processo Moderno: com controle, e automático, do Potencial de Nitrogênio (K N )

22 Reações Químicas na superfície do aço Nitretação Gás NH 3

23 Arranjo cristalino das fases na camada nitretada γ - Fe 4 N - Fe 2,3 N

24 C Fe-N Equilibrium Phase Diagram Diagrama de Equilíbrio Fe-N C C ur ie T e m p er a tur e C 8 0 0? γ - F e? α - F e C C ε 590 C α C γ ~ C (C ur ie T e m p e r a tu r e ) o f γ % a t C 6.1 % a t C W e ig h t P e rce n ta g e N itro g e n

25 Propriedades mecânicas e químicas das fases nitretada no Diagrama Fe-N como uma função do potencial químico de nitrogênio utilizado

26 C C C u r ie T e m p e r a t u r e C 8 0 0? α - F e γ - F e C? C ε Fe-N Equilibrium Phase Diagram C γ ~ C (C u r ie T e m p e r a t u r e ) o f γ % at 450 C 6.1 % at 450 C D is ta n c e W eigh t Percentage N itrogen Nitrogen Concentration At temperature ε γ' Furnace cooling ε + γ ' γ' ε α + γ ' α α

27 A profundidade de camada pode ser determinada pela equação de Harris C = k t C profundidade camada; t tempo; e k - é um coeficiente dependente de vários fatores, tais como material, temperatura e concentração máxima do elemento de difusão

28 Processos Industriais de Nitretação: Nitretação Líquida: banho de sal fundido Nitretação a Gás: gás amônia dissociada catalíticamente na superfície do aço Nitretação a Plasma: gases Nitrogênio e Hidrogênio ionizados sob baixa pressão

29 Forno Nitretação Banho de Sal 4NaCN + 2O 2 4NaCNO 8NaCNO 2Na 2 CO 3 + 4NaCN + CO 2 + C + 4N Problemas ambientais Sem controle Rugosidade e Porosidade elevadas

30 1980 s - Nitretação Iônica (Plasma Pulsado) 1930 s Primeiro experimento técnológico Limpeza (fundamental) Simples / fácil proteção (máscara, ou tinta) Baixo consumo de gás e energia eletrica Ativação pelo efeito cathode sputtering Composição de carga maximizar ocupação Automático exige Operador bem treinado

31 Forno Nitretação Iônica da Isoflama Plateg Rubig

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33 Principais gases na Nitretação a Plasma e pureza [% vol] Nitrogênio (99,999 Metano (99,5 Hidrogênio (99,999 Argônio (99,998 Oxido Nitroso (apenas na etapa de oxidação, sem plasma)

34 Projeto do sofisticado sistema de nitretação a plasma temperature heating Sputtern sputtering Nitrieren gas nitriding Oxidieren (oxidizing) cooling time Remoção de camada de CrO por sputtering! Allgemein-

35 Processo de formação de plasma

36 Modelo para mecanismo da nitretação de aços por plasma

37 Sputtering

38 Espécies ionizadas usadas para modificação da superfície podem ser empregadas de dois diferentes modos: Implantação iônica, a qual consiste de um pequeno fluxo iônico com uma alta energia média por íon; Segundo método é a deposição assistida por plasma, a qual consiste de um grande fluxo iônico com energia média por íon, suficiente para causar pulverização catódica ( sputtering ) e defeitos na rede cristalina do material. Esses processos oferecem a possibilidade de variar amplamente as propriedades dos filmes através do controle dos parâmetros do plasma (densidade de elétrons, energia e sua função de distribuição). As possibilidades de combinações desses parâmetros dão origem às mais diversas técnicas de processamento de filmes por plasma como o íon plating, sputtering dc e sputtering rf, magnetron sputtering, entre outros

39 Diversas denominações para a Nitretação a Plasma Técnica, patenteada por J.J.Egan em 1931 nos E.U.A e por Berghaus em 1932 na Suíça Uso comercial iniciado apenas nos anos 60, com grande avanço na década de 70 Na literatura internacional, essa técnica recebe denominações como nitretação iônica (ion nitriding, nitriding ionic, ionitriding), nitretação em descarga luminescente (glow discharge nitriding), nitretação por plasma (plasma nitriding, nitriding in plasma), ou ainda nitretação iônica por plasma, nitretação de plasma pulsado

40 Plasma Plasma" também referido como "descarga elétrica", "descarga gasosa" ou "descarga luminescente" que se aplica a um gás contendo espécies neutras e eletricamente carregadas como elétrons, íons positivos, íons negativos, átomos e moléculas Na média, um plasma é eletricamente neutro, sendo que qualquer desbalanceamento de carga resultará em campos elétricos que tendem a mover as cargas de modo a restabelecer o equilíbrio. Como resultado disso, a densidade de elétrons mais a densidade de íons negativos deve ser igual a densidade de íons positivos. Um importante parâmetro do plasma é o grau de ionização, que é a fração das espécies neutras originais que foram ionizadas.

41 Principais parâmetros do processo Pressão: um dos parâmetros de controle mais importantes em um processo de nitretação por plasma. Processos conduzidos com valores de pressão diferentes, resultam em diferenças no perfil da camada nitretada A pressão, nos processos de nitretação por plasma, influencia na uniformidade da camada nitretada Temperatura: influencia cinética do processo de formação de camada Tensão: ao aplicar uma tensão no sistema, sob condições adequadas de pressão e temperatura, o gás no interior da câmara é ionizado, e passa a conduzir corrente elétrica

42 Fenômeno elétrico problema na nitretação a plasma

43 Hallow Cathode Catodo Ôco hole will be nitrided danger of overheating hole will not be nitrided Allgemeinhollow cathode

44 Hallow Cathode Catodo Ôco

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46 Vantagens da Nitretação a Plasma em relação ao processo convencional, gás: Controle das propriedades da camada nitretada Redução do tempo de nitretação Ambientalmente amigável Menor consumo de energia elétrica e gases Permite automação Menor temperatura de trabalho Nitretação de ligas inoxidáveis

47 Desvantagens da Nitretação a Plasma em relação ao processo convencional, gás: Limpeza excepcional Menor volume de peças na montagem: manter distância entre as peças Montagem artesanal ( peça a peça ) Cuidados especiais na preparação da peça na montagem: tampar furos Não nitretação de peças a granel Monitoramento por Operador especialmente treinado

48 Imagens de peças com plasma

49 Exemplos de cargas de peças construídas em aço montadas no dispositivo de nitretação a plasma Allgemein-

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52 Aço classe trabalho a quente 13 m CB 100 m Camada Branca 7 m CB 100 m 7 m CB 135 m 7 m CB 185 m 0 m CB 100 m 0 m 150 m Camada de 700HV

53 Aço rápido Camada Branca 100 m 190 m 250 m Camada de 700HV

54 Aço classe construção mecânica 20 m CB 400 m Camada Branca 10 m CB 250 m 7 m CB 1000 m 2 m CB 100 m 2 m CB 400 m Camada de Core + 100HV

55 Composição de Fases no aço 1020 Nitretado ~80% -fase (porosa) Revestimento Niquímico para suporte Núcleo + precipitados 20% -fase

56 Nitretação NH 3 Porosidade Nitretação Líquida

57 Como Medir a Dureza da Camada A especificação da camada de difusão obedece a norma DIN que define profundidade de camada de difusão (NHT) como a profundidade de dureza 50 HV0,5 (500 gf) acima da dureza do núcleo. O perfil de dureza da camada nitretada deve ser medido com carga 500g, penetrador Vickers ou Knoop. Assim, tem-se: Camada de Difusão (NHT) = Dureza de Núcleo * + 50 HV0,5 (*) medido em HV0,5 A dureza da camada na superfície deve ser medida com penetrador Vickers, carga 200 gf.

58 Comparison beetween Gas and Plasma Nitriding Gas nitriding Plasma Nitriding flexibility in white layer moderate adjustable absolutely no white layer long process developm. possible porous zone moderate adjustable roughness moderate low post polishing depending on application not required bulk material possible not possible masking painting, electroplating Mechanically, reproducibility average to good hundred percent required temperature 500 C 400 C distortion depending on temperature depending on temperature nitriding of high Cr steel long process developm. possible nitriding of Titanium yes (high temp process) yes (high temp process)

59 Bibliografia Nitretação a Plasma Prof. Clodomiro Alves UFRN Isoflama < > Nitrex.com ************************ Fazemos melhor aquilo que repetidamente insistimos em melhorar. A excelência não deve ser uma busca, mas sim um hábito Aristóteles sec IV AC