A tecnologia de nitretação a plasma com tela ativa (Active Screen Plasma Nitriding – ASPN) é uma nova solução industrial que goza de todas as vantagens da nitretação a plasma tradicional, mas que não tem seus inconvenientes. Com ela, peças de diferentes tamanhos podem ser tratadas no mesmo lote. Ela também oferece a possibilidade de oxinitretar e nitretar aços inoxidáveis. A ASPN também é chamada de “nitretação fácil”, porque não exige que os operadores sejam altamente qualificados
A nitretação, que é uma técnica de difusão de nitrogênio, tem a grande vantagem de utilizar temperaturas relativamente baixas (450-590°C), permitindo que seja aplicada a peças mais acabadas por usinagem.
Desenvolvimento de Tecnologias de Nitretação
Várias técnicas foram desenvolvidas para alcançar industrialmente o processo de nitretação durante o último século.
Nitretação Gasosa (1910-1920)
Este processo usando amônia (NH3) é ainda hoje a tecnologia mais comumente utilizada para nitretação. Embora o equipamento não seja caro, vem com altos custos de funcionamento, devido ao alto consumo de energia e de gás. Além disso, ele não permite um bom controle da estrutura.
Nitretação em Banho de Sal (1940-1950)
Seu uso hoje está diminuindo, e em muitos países nem sequer é mais permitido devido ao impacto ambiental dos produtos químicos e das emissões. Seus elevados custos de funcionamento decorrem do consumo de energia e das despesas para limpar as peças.
Nitretação a Plasma (1965-1975)
Desenvolvido pela primeira vez com o uso de fornos de paredes frias, a nitretação a plasma tem vantagens significativas: custos operacionais muito baixos (consumo reduzido de energia e de gases); controlável; estrutura e camadas otimizadas; e nitretação de aços inoxidáveis. A nitretação a plasma é totalmente segura, não emite gases venenosos e não há impacto ambiental negativo. No entanto, a nitretação a plasma convencional tem um número de dificuldades conhecidas, incluindo a aplicação direta do plasma sobre as peças a serem tratadas, o risco de formação de arco, cátodos ocos, camadas brancas, temperatura do lote não homogênea e a impossibilidade de misturar peças de diferentes geometrias na câmara. Assim, requer operadores bem treinados e altamente qualificados.
No início dos anos 80, a nitretação a plasma se tornou muito mais fácil graças ao desenvolvimento de fontes de alimentação pulsadas e de controle de fluxo de gás automático. Dentro de 10 anos, este novo tipo de forno e processo se tornaram o padrão industrial. No entanto, alguns inconvenientes existem ainda hoje em fornos de paredes quentes (por exemplo, a homogeneidade da temperatura, controle limitado da estrutura metalúrgica, equipamentos e manutenção caros).
Nitretação a Plasma com Tela Ativa
A ASPN é uma tecnologia que foi desenvolvida e usada comercialmente nos últimos anos. Finalmente existe uma tecnologia que resolve as dificuldades da nitretação convencional por plasma.
A tecnologia ASPN: Como Funciona
Com a tela ativa, o plasma já não é aplicado à carga de trabalho, mas sim a uma tela metálica que circunda as peças (Fig. 1). As peças a serem nitretadas ou são colocadas sobre um potencial flutuante ou é aplicada uma polarização de luz. Sob estas condições, o plasma se forma sobre a tela, e não sobre as peças. A tela se aquece rapidamente, o que aquece a carga de trabalho por radiação. Desta maneira, toda a carga de trabalho se aquece até a correta temperatura de nitretação. A tela também fornece as espécies ativas, que se difundem rapidamente nos materiais para formar as camadas nitretadas esperadas. O controle da temperatura é alcançado através da regulagem da potência do plasma na tela ativa. Gases reativos (N2, H2, CxHy) são bombeados a partir do meio da câmara, e fluem através da tela ativa. Isto assegura um fluxo suave de espécies reativas ao longo de toda a carga de trabalho.
Tratamento das Peças
Uma vez que as peças já não são diretamente expostas à incandescência, os problemas relacionados com a nitretação a plasma convencional são eliminados (criação de arcos, cátodos ocos, heterogeneidade de temperatura, etc.). O desengraxe com solventes de cloreto ou limpeza assistida por ultrassom para peças complicadas não é mais necessário. Apenas o desengraxe por lavagem (limpeza a vapor) é suficiente. O carregamento homogêneo do lote não é mais necessário. Portanto, peças com formas, geometrias e tipos de aço diferentes podem ser tratadas no mesmo lote (Fig. 3). O espaço entre as peças pode ser reduzido para aumentar a densidade de carga. A câmara de vácuo inteira pode ser utilizada devido à excelente homogeneidade da temperatura. Por outro lado, apenas 50% do volume disponível da câmara pode ser utilizado na maioria das vezes com equipamento de nitretação a plasma de corrente contínua.
Estruturas Metalúrgicas
Similar aos processos clássicos, a espessura da camada de difusão, bem como a dureza dependem principalmente do aço utilizado. A dureza obtida varia normalmente de 600 a 1.200 Vickers, e as profundidades da camada superficial pode variar de 0,01-0,3 milímetros. Além disso, a ASPN proporciona essencialmente as mesmas estruturas que a nitretação a plasma de corrente contínua convencional.
ASPN em Aço Ferramenta
Aços ferramenta são nitretados para melhorar a dureza, a resistência a arranhões e resistência ao desgaste da sua superfície. Para investigar a resposta de aços ferramenta para a ASPN, aços H13 (0.35C, 1.5Mo, 5cr, 1V) e D2 (1.5C, 1.0Mo, 12Cr) foram nitretados a 500°C durante 5-40 horas. A Figura 4 mostra que ambos os aços-ferramenta foram endurecidos consideravelmente após o tratamento com a ASPN. A dureza máxima da camada superficial nitretada foi de mais de 1000 HV. A profundidade da camada superficial variou de 100-300 µm, dependendo do tempo de tratamento. Contendo uma maior quantidade de cromo, o aço D2 mostra a maior dureza da camada superficial, mas com profundidade menor do que o H13.
ASPN de Aços Inoxidáveis
É possível fazer tratamentos a baixa temperatura (350-450°C) em aços inoxidáveis, devido à boa homogeneidade da temperatura alcançada com a ASPN. A completa ausência de precipitados, nitretos e carbonetos permite que o aço permaneça inoxidável, enquanto aumenta a sua resistência ao desgaste por um fator de 100 (Fig. 5). A ASPN é aplicada a peças em aplicações nucleares, médicas, aeroespaciais, alimentares e químicas.
Nitretação + Pós-Oxidação
Com a tela ativa, a nitretação pode ser imediatamente seguida por um processo de oxidação assistida a plasma de cerca de 30 minutos. Isto aumenta a resistência à corrosão pelo mesmo nível obtido com processos convencionais de banho de sal. As aplicações potenciais são numerosas (por exemplo, suporte para ferramentas e componentes automotivos, como articulações de direção).
ASPN de Materiais Poliméricos
A técnica de ASPN tem sido utilizada para modificar a superfície de vários materiais poliméricos, incluindo polietileno de ultra-alto peso molecular (ultrahigh molecular-weight polyethylene – UHMWPE), polipropileno e polioximetileno (POM). Tem sido demonstrado que a ASPN pode eficazmente modificar a composição química da superfície e a estrutura da ligação. Os polímeros tratados por ASPN melhoraram consideravelmente a dureza, módulo de elasticidade, resistência à fluência, resistência a arranhões e resistência ao desgaste.
ASPN – Um Trunfo Econômico
Ganhos significativos de produtividade são alcançados com a ASPN, devido à disposição simplificada da carga, procedimentos menos complexos de desengraxe e maior densidade de carga. Além disso, a ASPN permite excepcional redução dos consumíveis e de energia. Por exemplo, a economia em eletricidade foi de 15% e de 95% para gases em uma carga de uma tonelada de matrizes de forjamento de aço X40CrMoV5.
Conclusão
A ASPN é uma tecnologia desenvolvida recentemente que fornece soluções para muitos problemas de resistência ao desgaste. Ela resolve os inconvenientes de várias técnicas convencionais de nitretação a plasma DC, mantendo suas inúmeras vantagens. Metalurgicamente, as estruturas obtidas são ótimas e podem ser adaptadas a qualquer necessidade. Elas são totalmente reprodutíveis, uma vez que cada parâmetro é pilotado por controles automáticos. Os tratamentos são feitos na sua maioria em aço, mas podem ser estendidos a outros materiais (Ti, polímeros e pós). Cargas de alta densidade, consumo reduzido de energia e de gás fazem da ASPN um processo economicamente competitivo. Ela não produz quaisquer produtos perigosos ou tóxicos ou resíduos, e permite que se trabalhe em condições totalmente seguras com respeito completo ao meio ambiente.
Para mais informações, contate: Dr. Christian Kunz, presidente da PD2i América do Norte, 12816 Stahl Drive, Knoxville, TN, EUA; Tel: +1 865-321-3932; e-mail: christian.kunz@pd2i.com; web: www.pd2i.com.
