BR112014000933B1 - método para o resfriamento de peças metálicas que foram submetidas a um tratamento de nitretação/nitrocementação em banho de sal fundido e instalação - Google Patents

Abstract

MÉTODO PARA O RESFRIAMENTO DE PEÇAS METÁLICAS QUE FORAM SUBMETIDAS A UM TRATAMENTO DE NITRETAÇÃO/NITROCEMENTAÇÃO EM BANHO DE SAL FUNDIDO, INSTALAÇÃO E PEÇAS METÁLICAS De acordo com o método: antes do final do tratamento, enche-se com um fluido de resfriamento, na forma líquida e com alta capacidade expansão volumétrica durante a vaporização, uma câmara (1) disposta de maneira a evacuar o oxigênio contido na referida câmara, a fim de criar uma atmosfera inerte; transferem-se todas as peças tratadas para a câmara (1); fecha-se a câmara (1); as peças são deixadas na câmara durante um período específico para chegar a uma temperatura na qual o sal se solidifica e forma uma barreira de proteção; e as peças são removidas e sujeitas a uma operação de rinsagem.

Description

[0001] A invenção refere-se a um método e a uma instalação para o resfriamento de peças metálicas que tenham sofrido um tratamento de nitretação/nitrocementação em banho de sal fundido. A invenção refere-se também às partes tratadas.

[0002] É perfeitamente conhecido pelos versados na técnica que, a fim de reduzir o atrito e melhorar a resistência à abrasão e ao desgaste de peças metálicas, utilizam-se processos de difusão termoquimica de nitrogênio por nitretação ou nitrocementação em banho de sais fundidos. Essencialmente, estes banhos de sais são geralmente compostos de cianeto e carbonatos de metais alcalinos. Quando a temperatura de nitretação é atingida, o cianeto alcalino libera átomos de nitrogênio e de carbono que se difundem sobre a superficie da peça. Os tempos de tratamento são geralmente compreendidos entre 20 e 180 minutos e a temperaturas entre 400 e 700°C. Estes processos utilizados industrialmente são conhecidos, por exemplo, sob as marcas comerciais SURSULF ou TENIFER.

[0003] Recorda-se que um método de tratamento de nitretação/nitrocementação compreende as seguintes etapas essenciais: desengorduramento das peças, pré-aquecimento, tratamento de nitrocementação, resfriamento, lavagem, secagem.

[0004] No caso de ligas ferrosas, este tratamento conduz geralmente à formação de duas zonas características: uma primeira zona na superfície, com espessura entre 5 e 30pm composta essencialmente de nitretos ε (Fe2....3n) e nitretos Y'(Fe4N), denominada área de combinação, seguida por uma segunda zona com espessura geralmente entre 0,2 e l,5mm, caracterizada pela presença de nitrogênio em solução sólida de ferro na forma de grãos e na forma de nitretos de elementos de liga, chamada camada de difusão.

[0005] Vários métodos alternativos de resfriamento após o tratamento de nitrocementação têm sido desenvolvidos no sentido de melhorar algumas das características das peças tratadas: uma melhoria na resistência à corrosão das peças tratadas é obtida substituindo o resfriamento por têmpera de água por têmpera em um banho de sal oxidante (380-420°C) . Este tipo de tratamento, conhecido, por exemplo, sob as marcas Arcor® ou ABI®, produz um óxido de ferro negro (Fe3O4) sobre a superfície tratada. uma diminuição da fragilidade ou uma melhora da ductilidade das partes tratadas é obtida substituindo o resfriamento de têmpera de água por um tipo de resfriamento mais lento como no caso do resfriamento a óleo ou ainda mais lento como no resfriamento a ar. 0 resfriamento lento também é recomendado nos casos em que as peças não suportam grandes deformações. As peças obtidas são caracterizadas pela presença de precipitados de nitreto de ferro Y'-FeiN e a''-Fei6N2, paralelamente nas junções entre os grãos na camada de difusão. A precipitação está relacionada com a redução do limite de solubilidade do nitrogênio no ferro com a temperatura.

[0006] No caso do processamento industrial das peças, estas são dispostas numa cremalheira de metal para facilitar o seu transporte, por exemplo, por meio de robôs, entre diferentes estações de tratamento. Por razões de produtividade, a velocidade de enchimento da cremalheira pode estar no máximo, de modo que as peças estão suscetíveis a estarem em contato umas com as outras. A transferência das peças a partir do banho de nitretação até a estação de resfriamento é realizada num tempo tal que, em contacto com o ar ambiente, manchas de oxidação ou descoloração aparecem na superfície em uma porção mais ou menos importante das peças tratadas. Testes de laboratório têm mostrado que para tempos de transferência maiores que 30 segundos observa-se o aparecimento de manchas de oxidação em apenas algumas peças, enquanto que a partir de um tempo de transferência de 120 segundos, todas as peças são oxidadas. No entanto, o tempo de transferência entre duas estações industriais de tratamentos sucessivos está geralmente entre estes dois valores.

[0007] Também deve ser notado que o resfriamento ao ar livre inevitavelmente induz a oxidação superficial das peças.

[0008] É evidente que a presença destas manchas de oxidação não é aceitável em algumas aplicações. Não somente essas manchas são prejudiciais para a aparência das peças, mas também para sua utilização, particularmente nos caso de aplicações mais exigentes em termos de limpeza de superficial. Possivelmente, as zonas oxidadas podem gerar poeira que pode criar, na presença de lubrificantes, agregados que podem causar interferência prejudicial como desgaste abrasivo dependendo da aplicação proposta à peça.

[0009] No estado da técnica atual, as soluções industriais propostas não garantem um tratamento de nitretação/nitrocementação em banhos de sais fundidos, com um nivel de limpeza e aspecto suficientes, ou seja, com nenhum vestígio de oxidação em todas as peças processadas.

[0010] A este respeito, deve-se ressaltar que o dominio técnico da invenção refere-se a um processamento de peças industriais que não é comparável com o tratamento de nitretação/ nitrocementação realizado em escala de laboratório, onde as peças são tratadas em pequenas quantidades. No laboratório, por isso, é possivel, após o banho de nitretação, transferir as peças com rapidez suficiente para evitar a oxidação durante até um resfriamento à água, por exemplo.

[0011] Entende-se que isto não é possivel a uma escala industrial, quando se trata de processar simultaneamente um grande número de peças, que provoca uma elevada taxa de peças defeituosas. Mesmo minimizando ao máximo o tempo de transferência de material entre as estações de tratamento, e em particular a zona de resfriamento, é necessário efetuar uma verificação visual e uma triagem unitárias das peças para garantir a ausência de vestígios oxidação.

[0012] A patente dos EUA 3560271 refere-se a um método de nitretação em banho de sais fundidos, com o objetivo de retardar o resfriamento depois de nitretação, a fim de reduzir o nivel de tensão para limitar, por conseguinte, o risco de fissuras de camada. O resfriamento é obtido a vácuo e acontece apenas por radiação, o que leva a tempos dificilmente compatíveis com um processo industrial de resfriamento (de várias horas a várias dezenas de horas).

[0013] Além disso, a utilização de tal método não permite assegurar a completa ausência de oxidação No processamento em um grande número de peças o que requer tempo de transferência relativamente alto de entre a estação tratamento e a estação de resfriamento (ou seja, durante a transferência das cargas, a inércia mássica impõe a formação de fases de estabilização das cargas de peças após a desaceleração, especialmente durante a transferência horizontal, assim, um tempo minimo de transferência).

[0014] Resulta, assim, a partir da análise da técnica anterior, que as soluções industriais utilizados não garantem um tratamento de nitretação/nitrocementação em banho de sais fundidos com um nivel de limpeza e aspecto suficientes, isto é, com nenhum traço de oxidação na totalidade ou em parte das peças tratadas.

[0015] Observa-se também que não é possivel, especialmente no caso de um processo industrial, a obtenção de peças que tenham uma ductilidade suficiente e nenhum vestígio de oxidação ao mesmo tempo.

[0016] A invenção tem por objetivo remediar estes inconvenientes de uma forma simples, segura, eficaz e eficiente.

[0017] O problema resolvido pela invenção é o de assegurar, no caso de processamento industrial das peças de metal que tenham sido submetidas a um tratamento de nitretação/nitrocementação em banhos de sais fundidos, nenhuma corrosão-oxidação com o objetivo de melhorar a sua ductilidade.

[0018] Para resolver tal problema, foi projetado e desenvolvido um método de resfriamento das peças de metal que tenham sido submetidas a um tratamento de nitretação/nitrocementação em sal fundido, em que: antes do fim do tratamento, enche-se com agente de resfriamento, na forma liquida e com grande capacidade de expansão volumétrica quando vaporizado, uma câmara disposta de maneira a evacuar o oxigênio contido na referida para criar uma atmosfera inerte, transferem-se todas as peças tratadas para a câmara, fecha-se a câmara, as peças são deixadas na câmara durante um período especifico para chegar a uma temperatura na qual o sal se solidifica e forma uma barreira de proteção, as peças são removidas e sujeitas a uma operação de lavagem.

[0019] Existe a vantagem do agente de resfriamento ser o nitrogênio líquido que irá vaporizar muito rapidamente graças ao calor do banho e das peças. Tal vaporização irá produzir um volume de gás cerca de 630 vezes maior, o que vai evacuar rapidamente o oxigênio contido no interior da câmara. Isto resulta num resfriamento lento em termos metalúrgicos, mas suficientemente rápido para ser compatível com um processo industrial o que garante um nível de ductilidade e, com as peças sob uma atmosfera inerte, sem risco de aparecimento de oxidação, portanto, sem risco de emissão subsequente de poeira.

[0020] De acordo com outra característica, enche-se com nitrogênio líquido a câmara de 2 a 3 minutos antes de finalizado o tratamento de nitretação/nitrocementação. Após o tratamento de nitretação/nitrocementação as peças são transferidas verticalmente para a câmara cheia de nitrogênio líquido a uma velocidade mínima de 6m/min. Após um resfriamento a uma temperatura de cerca de 350°C, lavar-se com água a uma temperatura entre 40 e 50°C e em seguida com água a uma temperatura entre 15 e 25°C.

[0021] Para implantar o método, a câmara de refrigeração é disposta em contato direto com a estação de nitretação/nitrocementação que é ligada a um carrinho de transferência para transferência rápida de todas as peças da referida câmara.

[0022] Para resolver o problema da obtenção de um resfriamento lento das peças e de saturação extremamente rápida do interior da câmara com nitrogênio, sem ter de recorrer a sistemas de bombeamento para expelir o ar originalmente presente, o gabinete é constituído de um sino com parede dupla em que o nitrogênio liquido é injetado, a referida parede dupla dispõe de dispositivos para difusão do nitrogênio dentro do sino.

[0023] De acordo com outras características, a base do sino interage com dispositivos para dar acesso ao interior do referido sino para a transferência das peças, e para fechar esse acesso durante a fase de resfriamento. Os dispositivos são constituídos de portas compartilhadas numa parte da estação de tratamento.

[0024] A invenção também se refere às peças resultantes do tratamento de nitretação/nitrocementação em banhos de sais fundidos, de acordo com as características do método reivindicado. Mais geralmente, a invenção refere-se a peças de metal sobre as quais não são observadas manchas de oxidação e a presença de precipitado de nitreto na zona de difusão.

[0025] A invenção é descrita abaixo em maior detalhe usando as figuras dos desenhos anexos nos quais: A Figura 1 é uma vista esquemática em corte da câmara sob a forma de um sino segundo as características da invenção. As Figuras 2, 3 e 4 são vistas esquemáticas que mostram as etapas principais do método de tratamento de acordo com as características da invenção. As Figuras 5, 6, 7, 8 e 9 mostram uma amostra de peças após um tratamento de 60 minutos num banho de nitrocementação SURSULF (CN-: 4,15%; CNO-: 30,5%) a 580°C e resfriamento de acordo com o estado da técnica em diferentes condições (Figuras 5, 6, 7 e 8) e de acordo com a invenção, isto é, em nitrogênio liquido (Figura 9), cada amostra é associada a micrografia em corte correspondente.

[0026] A instalação para a nitretação/nitrocementação em banho de sais fundidos de peças metálicas não é descrita em detalhe, pois é perfeitamente conhecida por um versado na técnica e pode apresentar variação quanto à execução.

[0027] A instalação está adaptada para tratar as peças de maneira industrial, isto é, não de uma forma unitária, mas em lotes, por exemplo, dispondo as referidas peças numa cremalheira de metal para facilitar a sua transferência por robôs entre as diferentes estações de tratamento.

[0028] De acordo com a invenção, uma câmara de refrigeração (1) é disposta com relação direta com uma estação de nitretação/nitrocementação ligada a um carrinho de transferência para a transferência rápida de todas as peças consideradas (P) na referida câmara (1) . Como indicado, as partes (P) estão dispostas, por exemplo, na cremalheira (R).

[0029] De acordo com uma característica importante da invenção, a câmara (1) consiste em um sino com paredes duplas (la) na qual é injetado nitrogênio liquido. Esta parede dupla (la) possui dispositivo para a distribuição do nitrogênio liquido dentro do sino (1). A parede dupla (la) apresenta, por exemplo, defletores (1b) para a distribuição do nitrogênio liquido através de orifícios calibrados (1c) . O fornecimento de nitrogênio liquido é feito por dispositivos conhecidos e apropriados (2). O sino (1) está sujeito ao carrinho de transferência. A abertura do sino, localizada na sua extremidade inferior interage com as portas (3) e (4) que coincidem com a estação de nitrocementação.

[0030] Faz-se referência às Figuras 2, 3 e 4, que mostram as principais fases do método com base nas características da invenção. O tratamento de nitrocementação como tal, pode ser, por exemplo, de tipo conhecido sob a marca SURSULF, TENIFER... O tempo de tratamento varia geralmente entre 20 e 180 minutos e é tipicamente de cerca de 50 a 60 minutos. O sino (1) está disposto sobre o banho (T), no qual está mergulhado o conjunto das peças (P) dispostas na cremalheira (R) . As portas (3) e (4) estão abertas (Figura 2).

[0031] Poucos minutos, da ordem de 2 a 3, antes do fim do processo de nitrocementação é injetado o nitrogênio liquido (A) através da parede dupla (la), tal como indicado acima, a fim de remover rapidamente o oxigênio dentro do sino (1) para permitir que as peças (P), tenham um resfriamento lento metalurgicamente sob atmosfera inerte (Figura 3).

[0032] Na Figura 4, o conjunto de peças (P) é transferido para o interior da câmara (1) cheia com nitrogênio liquido (A) . A transferência é realizada a uma velocidade elevada de cerca de 6m/min. As portas (3) e (4) são, em seguida, fechadas para a operação de resfriamento. Dependendo da massa das peças, o resfriamento é realizado por um periodo de tempo especificado para atingir 350°C, na ausência de oxigênio, observando que abaixo dessa temperatura não há mais oxidação. Este tempo é geralmente menor do que ou substancialmente igual ao tempo de processamento por nitretação ou nitrocementação das peças.

[0033] Note-se que a velocidade de 6m/min depende da distância entre o nivel do banho de nitretação e a entrada no sino, esta velocidade pode ser maior ou menor, dependendo do caso: quanto maior a velocidade, mais os resultados serão corretos.

[0034] Depois deste resfriamento é realizada a lavagem de todas as peças, que pode ser realizada com água na temperatura de 40-50°C e em seguida com água a uma temperatura de cerca de 20°C.

[0035] Voltando às Figuras 5, 6, 7, 8, e 9, que mostram os resultados obtidos sobre as partes tratadas de acordo com as soluções anteriores do estado da técnica, e as Figuras 5 a 8 e de acordo com a invenção Figura 9.

[0036] Nas Figuras 5, 6, 7, e 8, o resfriamento é realizado de acordo com o estado da técnica por imersão das peças em água ou imediatamente após o tratamento de nitretação/nitrocementação (impossível sob condições industriais), Figura 5, ou depois de um tempo mais ou menos longo após o tratamento, respectivamente, 30 segundos após o tratamento (Figura 6), 60 segundos após o tratamento (Figura 7) e 120 segundos após o tratamento (Figura 8).

[0037] Na Figura 5, constata-se a ausência de manchas de oxidação das peças e a ausência de precipitados de nitreto na camada de difusão. Nas Figuras 6, 7 e 8, observa-se o aparecimento de manchas de oxidação (manchas marrons) e, sobretudo, um nitido aumento das zonas oxidadas com o tempo entre a saida do banho e a tempera com água.

[0038] Paralelamente ao aparecimento destas zonas oxidadas pode ser observado nos cortes micrográficos o aparecimento de um número crescente de precipitados de nitreto de ferro nas junções entre grãos. Tal aspecto é característico de um resfriamento lento e está relacionada com a diminuição do limite de solubilidade do nitrogênio com a temperatura.

[0039] Observa-se nos testes realizados nas condições das Figuras 6, 7 e 8 que o resfriamento em água após a nitretação/ nitrocementação não permite, em escala industrial, a obtenção de peças limpas e dúcteis, isto é, sem oxidação e com a presença de precipitados de nitreto na zona de difusão.

[0040] De acordo com a invenção, o resfriamento com nitrogênio liquido, Figura 9, mostra claramente a ausência de vestígios de oxidação na superfície e a presença de precipitados de nitreto, com consequente melhoria das propriedades mecânicas.

[0041] Fazendo referência a tabela abaixo que mostra a medição de dureza (Rq: a medida de rugosidade não acrescenta nada) nas peças após 60 minutos de tratamento em banho de nitrocementação (CN-: 4,15% CNO-: 30,5%) a 580 °C, dependendo do teste realizado como ilustrado nas Figuras 5 a 9, ou seja, resfriamento por têmpera em água imediatamente após o banho de tratamento (coluna A) , têmpera em água 30 segundos após a saída do banho de tratamento (coluna B) , têmpera em água 60 segundos após o tratamento (coluna C) , têmpera em água 120 segundos após o tratamento (coluna D) e resfriamento sob atmosfera de nitrogênio líquido (coluna E).

[0042] As vantagens são evidentes a partir da descrição, em particular verificou-se: em comparação com um método de resfriamento com água, o método de acordo com a invenção melhora a ductilidade das peças e reduz os riscos de deformação em consequência de um resfriamento lento; em comparação a um resfriamento ao ar livre ou no caso de um processo industrial, o método de acordo com a invenção garante uma aparência correta das peças resultante da ausência de corrosão.

Claims (8)

1. Método para o resfriamento de peças metálicas que foram submetidas a um tratamento de nitretação/nitrocementação em banho de sal fundido, caracterizado pelo fato de: antes do final do tratamento, encher com um fluido de resfriamento, na forma liquida e com alta capacidade expansão volumétrica durante a vaporização, uma câmara (1) disposta de maneira a evacuar o oxigênio contido na referida câmara, a fim de criar uma atmosfera inerte, transferir todas as peças tratadas para a câmara (1), com velocidade minima de 6 m/min. fechar a câmara (1), as peças são deixadas na câmara durante um periodo especifico de tempo para chegar a uma temperatura na qual o sal se solidifica e forma uma barreira de proteção, as peças são removidas e então sujeitas a uma operação de lavagem.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o liquido de resfriamento ser o nitrogênio liquido.

3. Método de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de o nitrogênio liquido encher a câmara de 2 a 3 minutos antes do fim do tratamento de nitretação/nitrocementação.

4. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a lavagem é feita com água a uma temperatura entre 40 e 50°C e, em seguida, com água a uma temperatura de 20°C.

5. Instalação para a execução do método conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 5 e compreendendo uma estação para nitretação/nitrocementação em banho de sal fundido para o tratamento de um conjunto de peças, caracterizada pelo fato de que compreende uma câmara de refrigeração (1) na qual um refrigerante na forma liquida com uma capacidade de expansão de alto volume é injetado, sendo a referida câmara de refrigeração (1) é disposta em contato direto com a estação de nitretação/nitrocementação enquanto é parte integrante de um carrinho de transferência para transferência rápida a uma velocidade de 6 m/min de todas as peças para a referida câmara.

6. Instalação de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de a câmara ser constituída por um sino com parede dupla (la) no qual é injetado o nitrogênio liquido, a dita parede dupla (la) compreendendo dispositivos para a difusão do nitrogênio dentro do sino.

7. Instalação de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de a base do sino (1) interagir com dispositivos que dão acesso ao interior do referido sino para a transferência das peças, e para fechar este acesso durante a fase de resfriamento.

8. Instalação de acordo com a 7, caracterizada pelos dispositivos serem formados por portas (3) e (4) presas a uma parte da estação de tratamento.

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