BR0103350B1

BR0103350B1 - processo de tratamento superficial de peças mecánicas.

Info

Publication number: BR0103350B1
Application number: BRPI0103350-6A
Authority: BR
Inventors: Stephane Chomer; Stephan Teil
Priority date: 2000-08-14
Filing date: 2001-08-13
Publication date: 2012-02-07
Also published as: MY130608A; JP2002060925A; US6645315B2; US20020038679A1; ES2356807T3; EP1180552B1; SG98452A1; CA2355479C; ATE498704T1; AU774372B2; AU5798401A; FR2812888A1; CN1338529A; KR100458663B1; BR0103350A; MXPA01008184A; EP1180552A1; CN1231611C; TWI230745B; KR20020013797A

Description

"PROCESSO DE TRATAMENTO SUPERFICIAL DE PEÇAS MECÂNICAS"

A presente invenção refere-se a um processo de tratamento superficial de peças mecânicas submetidas ao mesmo tempo ao desgaste e à corrosão. Mais particularmente a invenção se refere a um processo de tratamento superficial de peças mecânicas submetidas ao mesmo tempo ao desgaste e à corrosão, que permite conferir às peças uma resistência elevada ao desgaste e à corrosão, assim como uma rugosidade propícia à lubrificação. Mais precisamente ainda, a invenção se refere a um processo de tratamento superficial de peças mecânicas cuja lubrificação deve ser controlada de modo preciso, e consequentemente é necessário monitorar a rugosidade em uma gama estreita.

E bem sabido que a espessura do filme de óleo na superfície de uma peça depende muito da rugosidade da sua superfície: uma peça perfeitamente polida correrá o risco de não ser molhada pelo óleo, enquanto que, inversamente, uma peça muito rugosa será recoberta de um filme cuja espessura será inferior à altura dos micro-relevos; e resultará disso riscos elevados de engripamento.

Dentre as peças que poderão vantajosamente ser tratadas de acordo com a presente invenção, pode-se citar, por exemplo, as hastes de macacos e as válvulas de motores térmicos. No que se refere a uma haste de macaco, a espessura do filme de óleo na sua superfície deve ser perfeitamente controlada; se for muito baixa, o contato haste-junta não será lubrificado e haverá desgaste; se for muito alta, a fuga de lubrificante que resulta dela altera os desempenhos do macaco. No que se refere a uma válvula de motor térmico, o filme de óleo assegura ao mesmo tempo as funções de lubrificação e de estanqueidade dinâmica no contato da cauda de válvula/guia de válvula; uma peça muito polida fornecerá um filme de óleo de baixa espessura e a lubrificação será aleatória, ao passo que uma rugosidade elevada acarretará em um consumo de óleo elevado e uma perda de rendimento do motor.

Numerosas soluções aparecem para o especialista, quando ele estiver na presença de um órgão que deve ao mesmo tempo resistir ao desgaste e à corrosão. É, assim, corrente a utilização dos depósitos espessos de "cromo duro" microfissurados. Estes apresentam, todavia, inconvenientes. No plano técnico, a presença de uma interface entre o aço e o cromo pode estar na origem de formação de incrustações dramáticas para as funções desejadas, por outro lado, no caso de peças que funcionam por intermitência como certos macacos, há risco de eliminação do filme residual do lubrificante pelas intempéries e então corrosão. No plano econômico, este processo requer um depósito seguido de uma usinagem, o que a torna uma solução onerosa. No plano do meio ambiente, enfim, a cromagem é ainda muito largamente realizada com a ajuda de banhos que contêm o cromo VI que é um grande poluente.

Uma outra solução correntemente usada consiste em nitretar as peças, e depois oxidá-las; estas duas operações são freqüentemente seguidas de uma etapa de impregnação da porosidade superficial com um produto que melhora ainda mais a resistência à corrosão. Estas operações são conduzidas sucessivamente, seja em um banho de sais como ensinam, por exemplo, as patentes francesas FR-A-2672059 e FR-A-2679258, seja em uma atmosfera gasosa como ensina, por exemplo, a patente EP0217420.

Esta operação combinada de nitretação e de oxidação confere geralmente uma resistência muito boa ao desgaste e à corrosão, no entanto, ela conduz sistematicamente a um aumento da rugosidade da peça, levando-a a um nível incompatível com o que é requerido pelas aplicações relevantes do campo da invenção.

Este aumento de rugosidade levou o especialista a completar estes processos por uma ou mais fases de polimento mais ou menos intensas de modo que se chegue a seqüências tais como nitretação-oxidação-polimento, ou mesmo nitretação-oxidação-polimento-oxidação. Tais processos permitem desempenhar de modo eficaz a função de lubrificação, mas são difíceis a aplicar industrialmente, pois eles impõem uma combinação de tecnologias diferentes (termoquímica e mecânica) o que as torna ao mesmo tempo onerosas e de uso limitado; é, com efeito, difícil de monitorar por polimento a rugosidade sobre uma peça de forma complexa.

De modo surpreendente, foi evidenciado que era possível obter ao mesmo tempo uma resistência elevada ao desgaste e à corrosão e uma rugosidade propícia à lubrificação conduzindo as operações de nitretação e de oxidação em banhos particulares.

Os objetos definidos acima são obtidos pela presente invenção que fornece um processo de tratamento superficial de peças mecânicas que possibilita conferir às peças uma resistência elevada ao desgaste e à corrosão, assim como uma rugosidade propícia à lubrificação, no qual se efetua consecutivamente uma nitretação das peças, seguida por uma oxidação das peças, onde a nitretação é realizada por imersão das peças em um banho de nitretação de sais fundidos em uma temperatura na faixa de 500°C a 700°C, e, a oxidação é executada em uma solução aquosa oxidante, caracterizado pelo fato de que o banho de nitretação é isento de espécies sulfuradas e a oxidação é realizada em uma temperatura inferior a 200°C, onde: o banho de nitretação de sais fundidos contém os seguintes íons, em porcentagem em peso: Li+ = 0,2 a 10; Na+ = 10 a 30; K+ = 10 a 30; CO32"= 25 a 45; e, CNO" = 10 a 40, com uma quantidade de íons no máximo igual a CN" 0,5% em peso; e, a solução aquosa oxidante contém os íons seguintes, em porcentagem em peso: OH" = 10,0 a 22,0; NO3"= 1,8 a 11,8; NO2' = Oa 5,3; Cl" = 0 a 1,0; e, Na+= 1,0 a 38.

Pará estar de acordo com a invenção, o processo deve respeitar ao mesmo tempo a associação consecutiva de uma nitretação e de uma oxidação, as duas operações sendo conduzidas em fase líquida nas condições especificadas acima.

Não se trata entretanto da associação consecutiva de um processo de nitretação e de um processo de oxidação particular, mas sim de um conjunto indissociável, pois no caso do processo de acordo com a invenção, há uma interação muito forte entre os dois. As duas. etapas do processo, a saber, a etapa de nitretação e a etapa de oxidação, devem responder às seguintes condições:

(1) A operação de nitretação prévia (primeira etapa) deve ser executada em um banho fundido isento de espécies sulfuradas.

A temperatura do banho fica compreendida entre 500°C e 700°C,

por exemplo, uma temperatura compreendida entre cerca de 590°C e 650°C.

Vantajosamente, o banho comporta cianatos e carbonatos alcalinos e tem a seguinte composição, em peso:

Li+= 0,2 a 10%

Na+= 10 a 30%

K+= 10 a 30%

CO32 = 25 a 45%

CNO"= 10 a 40%

CN" <0,5%.

Por exemplo, o banho de nitretação de sais fundidos contém os seguintes íons, em porcentagem em peso:

Li+= 2,8 a 4,2·

Na+=16,0 a 19,0

K+= 20,0 a 23,0

CO32"= 38,0 a 43,0

CNO"= 12,0 a 17,0

com uma quantidade de íons CN" no máximo igual a 0,5% em peso.

Uma agitação pelo ar comprimido será vantajosamente prevista.

Vantajosamente, a duração (le imersão das peças é de pelo menos de cerca de 10 minutos, podendo ir até várias horas conforme as necessidades. De modo habitual, a duração de imersão das peças fica compreendida entre cerca de 30 e 60 minutos.

(2) A operação de oxidação (segunda etapa) que se segue à nitretação deve ser conduzida a uma temperatura inferior a 200°C. A temperatura do banho de oxidação é de preferência compreendida entre de IlO0C e 160°C. Melhor ainda, a temperatura do banho de oxidação é compreendida entre cerca de 125°C e cerca de 135°C.

A composição do banho é vantajosamente a seguinte, em peso:

OH=10,0 a 22%

NO3"= 1,8 a 11,8%

NO2' = Oa 5,3%

S2O32" = 0,1 a 1,9%

Cl" = Oa 1,0%

Na+= 1,0 a38%

Por exemplo, a solução aquosa oxidante contém os íons seguintes, em porcentagem em peso:

OH-= 17 a 18,5

NO3'= 4,0 a 5,5

NO2'= 1,0 a 2,5

Cl- = 0,25 a 0,35

Na+ = 25 a 29

Por exemplo, a solução aquosa oxidante contém, além disso, em peso de íons tiossulfato S2O32".

A duração de imersão das peças no banho de oxidação é vantajosamente compreendida entre cerca de 5 e 45 minutos.

E notável constatar que, após terem sido nitretadas e depois oxidadas de-acordo com a invenção, as peças tratadas podem, em seguida, sofrer uma operação de impregnação com a mesma eficácia que na técnica anterior. Embora a rugosidade final seja nitidamente mais fraca, a afinidade da camada para os produtos de impregnação é pelo menos tão elevada. Este fato surpreendente não é ainda explicado cientificamente até esta data.

A peça tratada pelo processo da presente invenção, apresenta uma rugosidade com um valor Ra inferior a cerca de 0,5 μιη e uma superfície é isenta de "mesas".

A invenção será, agora, descrita mais detalhadamente nos exemplos não limitativos seguintes:

Exemplo 1

Corpos de prova paralelepipédicos de dimensões 30x18x8 mm, assim como anéis de diâmetro 35 mm, todos em aço não ligado a 0,35% de carbono de rugosidade inicial Rmax - 0,6 mm, foram tratados em primeiro lugar em um Banho de sais de nitretação contendo em massa 19% de íons cianatos, 37% de íons carbonates e 3,5% de íons lítio, o resto sendo íons sódio, e potássio. As peças foram imersas durante 40 minutos à temperatura de 630°C.

Na sua saída do banho, as peças foram resfriadas em uma cuba de água, e depois lavadas antes de serem imersas por 15 minutos em uma salmoura oxidante, a uma temperatura de 135°C, constituída a razão de 85% da mistura de sais seguinte (Tabela I) em % em peso por 75 litros d'água:

TABELA I

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As peças foram em seguida lavadas em uma água a 80°C, e depois neutralizadas em uma solução à base de óleo solúvel a 40°C antes de serem secas.

Os corpos de prova foram caracterizados, por um lado, em rugosidade e, por outro lado, em teste de atrito.

As medidas de rugosidade realizadas sobre as peças assim tratadas são reagrupadas na Tabela II e comparadas àquelas obtidas com os processos clássicos já descritos, N1, N2, Ox1 e Ox2 correspondendo para N1 a uma nitretação segundo a patente francesa FR2171993, N2 a uma nitretação segundo (TF1), Oxl a uma oxidação segundo a patente francesa FR2708941 e Ox2 a uma oxidação segundo a patente francesa FR2306268. Os parâmetros morfológicos dos motivos de rugosidade usados para qualificar os estados de superfície são: Ra (média aritmética de comprimento) e R (média aritmética de profundeza).

TABELA II

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Notar-se-á que o processo de acordo com a invenção permite obter uma rugosidade equivalente àquela dos processos clássicos seguidos de um polimento.

Para os testes de atrito, o anel é apoiado contra a face maior da plaqueta com uma carga regularmente crescente desde o valor inicial de 5 daN e com uma velocidade de deslizamento constante de 0,55 m/s. A superfície que sofre atrito da plaqueta é untada de óleo antes do teste. Os resultados são reagrupados na Tabela III.

TABELA III

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Exemplo 2

Cilindros em aço fortemente ligado contendo 0,45% de carbono, 9% de cromo e 3% de silício, são tratados em um banho de nitretação de composição idêntica àquela do Exemplo 1.

As peças são imersas durante 30 minutos no banho mantido a uma temperatura de 590°C, e depois imersos na água fria. Uma vez lavadas, elas são oxidadas na salmoura descrita no Exemplo 1 durante 10 minutos a 13 O0C5 e depois novamente lavadas na água quente.

Habitualmente, sobre esse tipo de aços, as rugosidades obtidas com os processos padrão de nitrocarbonetação-oxidação ou sulfo- nitrocarbonetação-oxidação são relativamente elevadas por causa da má qualidade das camadas superficiais obtidas (camadas muito porosas e óxidos pulverulentos pouco aderentes). A título indicativo o Rz é habitualmente da ordem de 10 jim e é freqüentemente necessário realizar uma operação de poÜmento, o mesmo de formação de microesferas, para levar a rugosidade Rz próximo a 2 μιη.

Os corpos de prova tratados segundo a gama descrita neste exemplo apresentam um Rz compreendido entre 2 e 2,5 mm, sem que haja a necessidade de recorrer a um polimento ou a uma formação de microesferas.

Nota : Rz = média das profundidades de rugosidade segundo a norma NFISO 4287 de 1997 corrigida 1998. Exemplo 3

Testes foram conduzidos para mostrar em qual medida o processo de acordo com a invenção é um conjunto indissociável. Neste quadro, corpos de prova cilíndricos em aço não ligado a 0,35% em massa de carbono foram tratados associando diferentes processos de nitretação com- os processos de oxidação usuais, compreendido aí aquele citado nos Exemplos I e 2.

A etapa de nitretação foi realizada seja, segundo a patente FR2171993, a 570°C, em um banho de sais constituído em peso de 37% de íons cianatos e 17% de íons carbonates, resto sendo cátions alcalinos K+, Na+ e Li+, com além de 10 a 15 ppm de íons S2", seja nas mesmas condições que aquelas do Exemplo 1. A etapa de oxidação foi conduzida seja segundo a patente FR2708941, a 475 0C em um banho de sais a base de 13,1 % de íons carbonatos, 36,5% de íons nitratos, 11,3% de íons hidróxidos e 0,1% de bicromatos, o resto sendo cátions alcalinos K+, Na+ e Li+, seja nas condições descritas nos Exemplos > 1 e2.

Os resultados obtidos são reagrupados na Tabela IV abaixo, sabendo que a rugosidade de partida para todas as provas é de 0,3 μηι Ra.

TABELA IV

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Claims

1. Processo de tratamento superficial de peças mecânicas que possibilita conferir às peças uma resistência elevada ao desgaste e à corrosão, assim como uma rugosidade propícia à Iubrificação, no qual se efetua consecutivamente uma nitretação das peças, seguida por uma oxidação das peças, onde a nitretação é realizada por imersão das peças em um banho de nitretação de sais fundidos em uma temperatura na faixa de 500°C a 700°C, e, a oxidação é executada em uma solução aquosa oxidante, caracterizado pelo fato de que o banho de nitretação é isento de espécies sulfuradas e a oxidação é realizada em uma temperatura inferior a 200°C, onde: o banho de nitretação de sais fundidos contém os seguintes íons, em porcentagem em peso: Li+ = 0,2 a 10; Na+ = 10 a 30; K+=IO a 30; CO32-= 25 a 45; CNO' = 10 a 40, com uma quantidade de íons no máximo igual a CN- 0,5% em peso; e, a solução aquosa oxidante contém os íons seguintes, em porcentagem em peso: OH- = 10,0 a 22,0; NO3-= 1,8 a 11,8; NO2- = Oa 5,3; Cl- = Oa 1,0; Na+ = 1,0 a 38.

2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a solução aquosa oxidante contém ainda de 0,1 a 1,9% em peso de íons tiossulfato S2O32-.

3. Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a solução aquosa oxidante contém de 0,6 a 1,0% em peso de íons tiossulfato S2O32'.

4. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a oxidação é realizada a uma temperatura na faixa de 1100C a 160°C.

5. Processo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a oxidação é realizada a uma temperatura na faixa de 125°C a 135°C.

6. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a duração de imersão da peça no banho de oxidação fica na faixa de 5 a -45 minutos.

7. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o banho de nitretação de sais fundidos contém os seguintes íons, em porcentagem em peso: Li+= 2,8 a 4,2 Na+=16,0 a 19,0 K+= 20,0 a 23,0 CO32 = 38,0 a 43,0 CNO"= 12,0 a 17,0 com uma quantidade de íons CN- no máximo igual a 0,5% em peso.

8. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a peça mecânica é imersa no banho de nitretação durante uma duração ao menos igual a 10 minutos.

9. Processo de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a peça mecânica é imersa no banho de nitretação durante uma duração na faixa de 30 a 60 minutos.

10. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o banho de nitretação é agitado por ar comprimido.

11. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a solução aquosa oxidante contém os íons seguintes, em porcentagem em peso: OH" =17 a 18,5 NO3"= 4,0 a 5,5 NO2" =1,0 a 2,5 Cf = 0,25 a 0,35 Na+= 25 a 29.

12. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a nitretação é realizada a uma temperatura na faixa de 590°C a 650°C.