Nitretação de Aços para Ferramentas

A nitretação adiciona uma camada dura e resistente ao desgaste a uma ferramenta acabada sem têmpera, de modo que a peça mantém suas dimensões e a tenacidade do núcleo. Esta página reúne o que o tratamento produz em aços-ferramenta, a profundidade e a dureza normalmente adotadas, a estrutura de camadas abaixo da superfície e os pontos do trabalho com matrizes e moldes em que ele se justifica pelo custo.

O que a nitretação produz em um aço para ferramentas

Os valores abaixo são a faixa de trabalho para os aços-ferramenta da série H e comparáveis. Uma camada mais profunda não é melhor em ferramental, porque o mesmo nitrogênio que eleva a dureza também eleva a fragilidade da camada.

Item	Valor	O que isso significa na prática
Valores típicos para aços para ferramentas
Profundidade de nitretação	0,1–0,2 mm	A camada endurecida que suporta o desgaste. Profundidades de 0,5–1,0 mm indicam cementação e são um erro comum ao copiar metas desse processo.
dureza superficial	1000–1200 HV0.5	Tipicamente alcançada em aços para ferramentas da série H na nitretação gasosa. Acima de 1000 HV é fácil para esses graus, e a dureza depende de quanto cromo e alumínio o aço contém.
Temperatura do processo	525–545°C	Abaixo da faixa de revenimento da maioria dos aços para ferramentas, portanto a peça é nitretada após a têmpera e o revenimento finais, e não antes.
Tempo de processo	4–10 h	A faixa usual na prática. Tratamentos mais longos aprofundam a camada e espessam a camada composta em vez de elevar a dureza superficial.
Dureza do núcleo	Inalterado	O interior mantém a dureza e a tenacidade da peça revenida, razão pela qual o tratamento é adequado para ferramentas acabadas.
Mecanismo de endurecimento	Nitretos de liga	O nitrogênio difunde-se e precipita finos nitretos de liga, sendo o cromo o principal formador em aços para ferramentas e o alumínio o mais forte onde um grau é projetado com ele.

Fonte: Tool Steels, Properties and Performance (R. A. Mesquita, CRC Press), Seção 4.2.3 e as curvas de resposta medidas na Figura 4.11.

A camada superficial e a zona endurecida

A concentração de nitrogênio na superfície decide qual camada se forma. O mesmo equipamento executa as três faixas alterando a atmosfera, portanto a camada é uma escolha de processo e não uma propriedade do aço.

Camada formada	Atmosfera	Estrutura	Onde é usada
Somente camada de difusão	1–5% N2	Nenhuma. A zona endurecida é um gradiente de nitretos precipitados no aço.	Ferramental sensível a trincas, como moldes para fundição sob pressão, onde uma pele frágil não é aceitável.
Camada composta, tipo γ′	15–30% N2	Fe4N sobre a camada de difusão	Superfícies de desgaste que suportam uma pele dura. A camada é mais dura que a matriz, mas menos frágil que o tipo ε.
Camada composta, tipo ε	60–70% N2 com 1–3% de metano	Fe2-3N sobre a camada de difusão	Dureza superficial máxima, com a maior fragilidade. Geralmente evitada em peças sujeitas a trincamento ou impacto.

Fonte: Tool Steels, Properties and Performance (R. A. Mesquita, CRC Press), Figura 4.12, adaptada ali do ASM Handbook on heat treating. A camada composta é chamada de camada branca na oficina porque permanece brilhante ao microscópio e resiste ao ataque usual.

As duas camadas não aparecem ao mesmo tempo, e a ordem em que se formam determina com qual delas a operação de acabamento deve lidar.

Formation of the compound zone: nitrogen from the atmosphere building the epsilon and gamma-prime nitride layers at the steel surface — Fig. 8.9. Formação da zona composta. O nitrogênio da atmosfera forma primeiro nitreto gama-prime na superfície do aço, e a camada de nitreto épsilon cresce sobre ela à medida que o suprimento de nitrogênio continua. O exemplo é um aço comum para nitretação; a sequência de camadas é a mesma nos aços-ferramenta com cromo, onde o mesmo ciclo produz uma camada mais fina. Fonte: D. Pye, Nitriding Techniques, Ferritic Nitrocarburizing, and Austenitic Nitrocarburizing Techniques and Methods, in Steel Heat Treatment: Metallurgy and Technologies (G.E. Totten, ed.), CRC Press, 2006, Fig. 8.9.

Por que a camada branca tem má reputação

A camada composta é uma pele cerâmica sobre uma peça de aço, e é muito dura e muito frágil. Bem utilizada, é a maior dureza que o tratamento pode produzir. Mal utilizada, pode causar trincas que encerram a vida de uma matriz. A fonte mostra ambos os resultados em H13, primeiro apenas uma camada de difusão, depois uma camada em que uma espessa camada branca e precipitados de carbonitreto ao longo dos contornos de grão se tornaram caminhos de trinca, com as trincas atravessando a linha composta em vez de contorná-la.

Duas regras de oficina decorrem disso. Em peças sujeitas a impacto ou ciclagem térmica, mantenha a camada fina ou suprima-a; para um matriz de forjamento, a fonte estabelece o limite prático em 0,25 mm de camada, abaixo do qual a trincagem permanece rara. Em peças que apenas deslizam, uma camada composta controlada adiciona a maior resistência ao desgaste com a menor profundidade de camada.

Como é a camada medida

Nas curvas de resposta publicadas com os dados, a nitretação gasosa a 530°C por 36 horas leva um aço H11 modificado a cerca de 1200 HV0.5 na superfície, mantém-se próxima desse valor nos primeiros 0,1 mm e depois cai para os 600 a 650 HV0.5 do núcleo revenido por volta de 0,3 mm. Um ciclo mais curto de 525°C seguido de 545°C por 10 horas atinge um nível superficial semelhante de cerca de 1100 a 1200 HV0.5 em H13, H11 e um H10 modificado, retornando igualmente à dureza do núcleo em cerca de 0,3 mm.

Fonte: Tool Steels, Properties and Performance (R. A. Mesquita, CRC Press), Figura 4.11, curvas de resposta à nitretação gasosa para H11 modificado (X38CrMoV5-1), H13 (X40CrMoV5-1) e um H10 modificado (X50CrMoV5-3). Os valores são lidos das curvas publicadas na superfície e em profundidade.

Lendo as curvas

A profundidade de camada no perfil de dureza e a profundidade nominal de nitretação citada na literatura são medidas de forma diferente. O perfil acima descreve um ciclo longo de 36 horas, e sua profundidade endurecida útil vai além dos 0,1 a 0,2 mm que a fonte cita como meta típica para aços-ferramenta. Qualquer que seja o número citado, meça a camada na peça ou em um corpo de prova que passou pelo mesmo ciclo, porque a carga do forno, o fluxo de gás e a condição da superfície alteram o resultado.

Os perfis de dureza publicados para quatro aços de nitretação mostram a forma que o ciclo acima produz.

Hardness gradients of gas nitrided 41CrS4, 31CrMoV9, 15CrMoV59 and 40CrMoV51 tool and nitriding steels, hardness HV0.5 against distance from the surface — Fig. 7.50. Gradientes de dureza de aços nitretados: 41CrS4, 31CrMoV9, 15CrMoV59 e o grau para trabalho a quente 40CrMoV51 (1.2344, diretamente comparável ao H13), plotados como HV0.5 em função da distância da superfície. O material mais duro está nos primeiros décimos de milímetro, e o perfil retorna à dureza do núcleo revenido mais adentro, que é a profundidade de camada que importa em serviço, e não a profundidade nominal de nitretação. Fonte: J. Grosch, Heat Treatment with Gaseous Atmospheres, in Steel Heat Treatment: Metallurgy and Technologies (G.E. Totten, ed.), CRC Press, 2006, Fig. 7.50.

Gasosa, plasma e sal

A nitretação gasosa fornece nitrogênio a partir de uma atmosfera de amônia dissociada e é o processo do qual provêm a maior parte dos dados publicados para aços-ferramenta. A nitretação a plasma gera nitrogênio em um gás ionizado, proporcionando controle mais fino da camada e permitindo isolar áreas que devem permanecer moles. A nitretação em banho de sal líquido está em declínio por razões ambientais. A estrutura de camadas por trás dos três é a mesma, então a escolha se resume a equipamento, controle e custo, e não a um resultado diferente.

Nitretar após têmpera e revenimento, nunca antes

O tratamento ocorre a uma temperatura inferior à da etapa de revenimento, portanto não pode endurecer o próprio aço. É aplicado a uma peça que já está em sua dureza final, o que também explica por que a peça mantém suas dimensões durante o processo. Uma peça que vai ao forno de nitretação com núcleo mole volta com uma pele dura sobre um núcleo mole, e o primeiro contato sob carga revela isso.

Nitretação não é cementação

A cementação ocorre perto de 900 a 1000°C, difunde carbono para uma camada rápida e profunda e depende de um resfriamento posterior para endurecer a superfície por martensita. Seu limite é a dureza da martensita, cerca de 900 HV, e a camada pode amolecer novamente durante revenimentos posteriores. A nitretação ocorre perto de 540°C na peça acabada, endurece por precipitação de nitretos em vez de por resfriamento e ultrapassa 1000 HV sem um segundo tratamento térmico. As metas de profundidade de camada não são transferíveis entre os dois processos.

O alumínio no grau responde ao forno de nitretação

A dureza de uma camada nitretada vem dos elementos de liga que formam os nitretos, e o alumínio forma os mais resistentes. Graus que contêm alumínio como adição deliberada, como alguns aços para moldes de extrusão e de endurecimento por precipitação, atingem uma camada muito mais dura que um aço comum para trabalho a quente com 5% Cr sob o mesmo ciclo. Quando um desenho especifica uma dureza nitretada acima da faixa usual para H13 ou H11, o próprio grau geralmente é a alavanca, não o forno.

O potencial de nitretação e a temperatura determinam qual nitreto se forma na camada composta, e o diagrama de Lehrer mapeia isso.

Lehrer diagram: nitriding potential against temperature, with the alpha, gamma-prime and epsilon nitride stability fields — Fig. 7.56. O diagrama de Lehrer: potencial de nitretação em função da temperatura. Acima da curva superior, a camada composta é nitreto épsilon; entre as duas curvas, é gama-prime; e abaixo da curva inferior, nenhuma camada composta se forma e a camada é apenas uma zona de difusão. Este é o mapa padrão para definir uma atmosfera de nitretação gasosa; os limites deslocam-se ligeiramente com o teor de liga, razão pela qual se lê o diagrama junto com um corpo de prova. Fonte: J. Grosch, Heat Treatment with Gaseous Atmospheres, in Steel Heat Treatment: Metallurgy and Technologies (G.E. Totten, ed.), CRC Press, 2006, Fig. 7.56.

O sistema ferro-nitrogênio por trás dessas camadas é estreito, e é por isso que a nitretação é realizada nessa temperatura.

Iron-nitrogen equilibrium diagram showing the alpha, gamma-prime, epsilon and gamma phase fields and the 590 C eutectoid — Fig. 8.18. Diagrama de equilíbrio ferro-nitrogênio, com os campos alfa, gama-prime, épsilon e gama assinalados. A solubilidade do nitrogênio na ferrita é de uma fração de por cento e cai para quase nada à temperatura ambiente, e o eutetoide nesse sistema situa-se em 590 °C. Esse limite é a razão pela qual a faixa prática de nitretação termina em cerca de 570 °C: acima disso, o tratamento deixa de ser um processo de difusão ferrítica. Fonte: D. Pye, Nitriding Techniques, Ferritic Nitrocarburizing, and Austenitic Nitrocarburizing Techniques and Methods, in Steel Heat Treatment: Metallurgy and Technologies (G.E. Totten, ed.), CRC Press, 2006, Fig. 8.18.

A nitretação a plasma realiza a mesma função por meio de uma descarga luminescente em vez de apenas amônia.

The ion nitriding mechanism: cathode fall, plasma, glow border, ion and electron reactions and the epsilon and gamma-prime phases formed in the surface — Fig. 8.19. O mecanismo da nitretação iônica. Íons de nitrogênio e hidrogênio são acelerados através da queda catódica e atingem a peça, cedendo nitrogênio que se difunde na superfície; o ferro pulverizado da peça se recombina com o nitrogênio no plasma e retorna a ela. As fases épsilon e gama-prima formam-se na mesma sequência que na nitretação gasosa. A figura é creditada na fonte ao ASM Handbook, Volume 4. Fonte: D. Pye, Nitriding Techniques, Ferritic Nitrocarburizing, and Austenitic Nitrocarburizing Techniques and Methods, in Steel Heat Treatment: Metallurgy and Technologies (G.E. Totten, ed.), CRC Press, 2006, Fig. 8.19.

Onde compensa

O forjamento a quente é onde a nitretação é mais aplicada, porque a superfície da matriz sofre carga e abrasão acima de 500°C e a dureza superficial é o fator decisivo. A extrusão a quente vem em seguida, e os graus tratados com alumínio acima foram desenvolvidos para ela, junto com o ESR H13 usado na extrusão trabalho. A fundição sob pressão é o caso delicado, porque o ciclo térmico trinca rapidamente uma camada frágil, então a camada de compostos é mantida fina. Em moldes de plástico o tratamento é a forma normal de proteger uma cavidade endurecida Aço para Molde Plástico contra desgaste e de manter o acabamento polido, e é uma das razões pelas quais um H13 refinado por ESR acima de 50 HRC é popular para lentes e outros trabalhos que deixam o molde brilhante. O lado de polimento e texturização desse trabalho, incluindo os defeitos que uma superfície nitretada altera, é abordado no guia de polimento e texturização de aço para moldes.

A sequência de tratamento térmico em torno do forno está no gráfico de têmpera e revenimento, e como uma camada nitretada se comporta em temperatura junto com a dureza base do grau está no gráfico de dureza a quente. Os outros tratamentos superficiais que competem com ele, incluindo revestimento PVD e cromo duro, são comparados no guia de tratamento superficial.

Confirme antes de fornecer um orçamento.

Profundidade da camada, dureza e estrutura de camadas são apenas para referência geral. Os resultados reais variam conforme o grau, o forno, a mistura de gases e a geometria da peça. Confirme o processo com seu tratador térmico e os dados do grau com a usina antes da produção. A Aobo Steel fornece aço para ferramentas na condição recozida ou pré-endurecida, e a nitretação continua sendo um serviço realizado na ferramenta acabada.

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Fontes: Tool Steels, Properties and Performance (R. A. Mesquita, CRC Press, 2017), Seção 4.2.3 com Figuras 4.11 a 4.13, Seção 4.3.2 e Seção 6.4.3. Dados de referência apenas para comparação. Confirme o ciclo e a especificação da camada com seu tratador térmico antes da produção.