BR112017001421B1

BR112017001421B1 - Métodos de tratamento e de soldagem de uma peça nitretada/nitrocarburada

Info

Publication number: BR112017001421B1
Application number: BR112017001421-1A
Authority: BR
Inventors: Stéphan GRANDJEAN; Fabrice PROST
Original assignee: H.E.F.
Priority date: 2014-07-21
Filing date: 2015-07-16
Publication date: 2021-03-30
Also published as: CA2955675A1; ES2676589T3; TW201619413A; CN106687245A; WO2016012697A1; RU2687066C2; EP3172353B1; US10858720B2; MX2017000850A; FR3023851A1; RU2017101691A3; AU2015293772B2; BR112017001421B8; AU2015293772A1; JP6643312B2; KR20170031771A; TR201810563T4; JP2017529240A; US20170152582A1; KR102026872B1

Abstract

o método consiste em submeter pelo menos uma parte da peça a uma primeira etapa em que pelo menos um feixe de laser é movido em pelo menos uma passagem sobre a referida parte, até que a camada superficial da parte em questão seja transformada parcial ou totalmente, e até que a distribuição da concentração de nitrogênio na zona de difusão seja modificada. o método consiste ainda em submeter a parte pelo menos tratada por laser para transformar a camada superficial a uma segunda etapa em que pelo menos um feixe de laser é movido em pelo menos uma passagem sobre a referida parte de modo a permitir que a concentração de nitrogênio na camada de difusão subjacente seja reduzida.

Description

[0001] A invenção refere-se a um método de tratamento de uma peça nitretada.

[0002] Como é bem conhecido do versado na técnica, a nitretação/nitrocarburação é uma difusão do nitrogênio sobre uma superfície de uma peça de metal que é geralmente tratada previamente, por exemplo por têmpera e revenido. A inserção do nitrogênio e a formação de nitretos com os elementos de liga do aço causam endurecimento superficial que proporciona as propriedades desejadas, por exemplo, dureza de superfície na faixa de 750 Vickers de dureza (HV) a 1100 HV para a maioria dos aços.

[0003] Vários métodos podem ser utilizados para a realização de uma operação de nitretação como tal, entre os quais é possível mencionar gasosa, de baixa pressão, banhos de sal, iônica... Em relação à nitretação iônica, esta última é realizada em um forno a vácuo por meio de um fluxo controlado de gás ativo que é dissociado por plasma.

[0004] Essencialmente, a camada nitretada tem, na sua superfície, uma “camada de combinação” ou uma “camada branca” na qual o nitrogênio pode ser combinado na forma de nitreto de ferro que é de dureza muito elevada de modo a facilitar a fricção ao mesmo tempo que aumenta a resistência a desgaste e gripagem. Sob a camada de combinação, que pode ter uma espessura compreendida aproximadamente entre 5 micrômetros (μm) e 25 μm, aparece uma camada de difusão subjacente que proporciona resistência à fadiga e que reforça a resistência ao desgaste. A composição e a espessura das camadas dependem do grau do aço em questão e dos parâmetros de tratamento.

[0005] A nitretação é particularmente pesquisada para aumentar a resistência de uma peça de aço à fadiga, ao desgaste e à gripagem. No entanto, testes mostraram que o nitrogênio é particularmente prejudicial à soldabilidade, porque defeitos de porosidade e furos de sopro aparecem na camada superficial. Assim, os testes realizados com soldadura TIG (Tungsten Inert Gas) e com LBW (soudage par faisceau laser - Laser Beam Welding) em peças XC48 previamente submetidas a uma operação de nitretação mostraram que a nitretação influenciou fortemente as operações de soldadura independentemente do método utilizado. Os grânulos de solda eram irregulares, com grandes furos de sopro aparecendo em grande número.

[0006] Deste modo, para que as peças nitretadas ou nitrocarburadas sejam soldadas em boas condições, pareceu importante transformar a camada superficial na parte da peça em que a soldadura deve ser formada.

[0007] Foram propostas várias soluções, em particular soluções de paragem ou de resistência, para formar uma soldadura sobre uma peça a ser nitretada.

[0008] Por exemplo, propôs-se a realização de mascaramento mecânico, que geralmente ocorre em duas fases, uma das quais é realizada à montante do tratamento de nitretação/nitrocarburação e envolve o posicionamento de uma máscara, e a outra fase, realizada à jusante do referido tratamento, envolvendo a remoção da referida máscara. Tal método é difícil de implementar em formas complexas. O desgaste e o custo das máscaras e o custo das operações de montagem à montante e de remoção à jusante também são significativos.

[0009] Foi também proposto, também para nitretação e nitrocarburação, proporcionar mascaramento com tinta à base de cobre que constitui uma barreira eficaz para compostos de nitrogênio ou carbono. No entanto, um tal método é dispendioso, relativamente longo de implementar tendo em conta o tempo de secagem necessário para o tratamento, e depois para remover a tinta. Também foi observado que tensões residuais podem ser geradas e podem causar deformações. Nota-se também que este tipo de solução só é possível para nitretação gasosa e/ou nitretação iônica, e não é possível para nitretação em banhos de sal.

[0010] É concebível realizar operações de usinagem do tipo de torneamento e fresagem na zona da camada de combinação que se pretende transformar. No entanto, tais operações são difíceis de aplicar a zonas complexas ou a múltiplas zonas.

[0011] Observa-se também que a mera remoção mecânica da camada de combinação não permite modificar a concentração de nitrogênio na zona de difusão e assim garantir uma boa qualidade de soldadura.

[0012] Pode também ser feita referência ao ensinamento do documento WO 2013/050855 que se refere a um sistema de limpeza que utiliza uma fonte de calor de alta energia para remover um revestimento de superfície de um substrato o objetivo de realizar operações de soldadura.

[0013] Esse documento não se refere ao tratamento de uma peça nitretada e não levanta o problema de transformar pelo menos uma parte da camada de combinação para modificar a estrutura da peça.

[0014] Um objetivo da invenção é remediar esses inconvenientes de uma maneira simples, segura, eficaz e racional.

[0015] O problema que a invenção se propõe resolver é o de facilmente tornar compatível com soldadura toda ou parte de uma peça nitretada/nitrocarburada por modificação da estrutura da peça ao nível de uma zona da camada de superfície, em que deva ser realizada a operação de soldadura em si por qualquer meio conhecido e apropriado.

[0016] Na descrição abaixo, o termo “camada superficial” é utilizado para significar pelo menos a camada de combinação, considerada na totalidade ou em parte, e possivelmente incluindo, também na totalidade ou em parte, a camada de difusão.

[0017] Para resolver um tal problema, a invenção proporciona um método de tratamento de uma peça nitretada/nitrocarburada, método esse que consiste em submeter pelo menos uma parte da peça a uma primeira etapa em que pelo menos um feixe de laser é movido em pelo menos uma passagem sobre a referida parte até que a camada superficial seja transformada em parte ou na totalidade e até que a distribuição da concentração de nitrogênio na zona de difusão seja modificada.

[0018] Resulta destas características que o método de tratamento permite, em uma primeira etapa, transformar a camada superficial e modificar a distribuição da concentração de nitrogênio na zona de difusão, sendo esta primeira etapa suficiente para tornar a zona tratada compatível com a soldadura.

[0019] Obtiveram-se resultados vantajosos quando, para a primeira etapa, foram feitas várias passagens com um espaço entre linhas entre as passagens que ficaram na faixa de 0,01 mm a 0,05 mm. O espaço entre linhas é vantajosamente 0,02 mm.

[0020] Vantajosamente, para resolver o problema de transformar a camada superficial e de modificar a distribuição da concentração de nitrogênio na camada de difusão, utiliza-se um laser de fibra e pulso de 20 watts (W) que é ajustado a cerca de 20 kilohertz (kHz) e a 50% da sua potência, desfocado por 5 mm e submetido a uma velocidade de avanço de cerca de 300 milímetros por segundo (mm/s).

[0021] Partindo desta característica básica, parece que também é possível fazer uma modificação significativa na concentração de nitrogênio na camada de difusão. Para este efeito, submete-se a parte tratada ao laser para, em particular, transformar a camada superficial a uma segunda etapa em que pelo menos o(s) feixe(s) laser é/são movido(s) em pelo menos uma passagem sobre a referida parte de modo a permitir que a concentração de nitrogênio na camada de difusão subjacente seja reduzida.

[0022] Para solucionar o problema de modificar a distribuição da concentração de nitrogênio enquanto se reduz o teor de nitrogênio na camada de difusão, para esta segunda etapa, o laser de 20 W de fibra e pulso é ajustado a cerca de 200 kHz e a 100% da sua potência, desfocado por 5 mm e submetido a uma velocidade de avanço compreendida entre 1 mm/s e 10 mm/s.

[0023] Resulta destas características que a invenção também proporciona um método de soldadura de uma peça nitretada/nitrocarburada, cujo método consiste em: - submeter pelo menos uma parte da peça a uma primeira etapa em que pelo menos um feixe de laser é movido em pelo menos uma passagem sobre a referida parte, até que a camada de superfície da parte em questão seja transformada em parte ou na totalidade e até que a distribuição da concentração de nitrogênio na zona de difusão seja modificada; e - formar uma soldadura na parte tratada da peça.

[0024] Em uma outra concretização: - submeter pelo menos uma parte da peça a uma primeira etapa em que pelo menos um feixe de laser é movido em pelo menos uma passagem sobre a referida parte, até que a camada de superfície da parte em questão seja transformada em parte ou na totalidade e até que a distribuição da concentração de nitrogênio na zona de difusão seja modificada; - submeter a parte pelo menos tratada por laser para transformar a camada de superfície a uma segunda etapa na qual pelo menos um feixe de laser é movido em pelo menos uma passagem por cima da referida parte de modo a permitir que a concentração de nitrogênio na camada de difusão subjacente seja reduzida; e - formar uma soldadura na parte tratada da peça.

[0025] A invenção é descrita em maior detalhe abaixo com referência às figuras dos desenhos anexos, nos quais: A Figura 1 mostra um exemplo de uma peça com a sua parte superior nitretada e que tem uma zona (A) tratada através da aplicação da primeira etapa do método da invenção, e uma zona (B) tratadas através da aplicação da primeira e da segunda etapa do método da invenção; As Figuras 2, 2A, 2B apresentam curvas que mostram a percentagem de nitrogênio em relação à profundidade no nível da zona nitretada da peça (Figura 2), da zona (A) tratada por aplicação da primeira etapa (Figura 2A), e da zona (B) tratada por aplicação de ambas as etapas do método (figura 2B); As Figuras 3 e 4 mostram a aparência de uma soldadura TIG, uma no caso de uma superfície nitretada (Figura 3) e a outra no caso de uma superfície nitretada tendo uma zona que foi tratada através da aplicação da primeira etapa do método (Figura 4); As Figuras 5 e 6 são vistas endoscópicas que mostram uma soldadura TIG, uma no caso de uma superfície nitretada (Figura 5) e a outra no caso de uma superfície nitretada tendo uma zona que foi tratada através da aplicação da primeira etapa do método (Figura 6); e As Figuras 7 e 8 são vistas endoscópicas que mostram uma soldadura a laser, uma no caso de uma superfície nitretada (Figura 7) e a outra no caso de uma superfície nitretada tendo uma zona que foi tratada através da aplicação da primeira etapa do método (Figura 8).

[0026] A Figura 1 ilustra um exemplo não limitativo de uma peça designada em geral pela referência (1), e tendo uma face nitretada (1a). Na face nitretada (1a), tratou-se uma zona (A) implementando uma primeira etapa do método da invenção e tratou-se uma zona (B) implementando a primeira etapa e a segunda etapa do método de tratamento. Um cordão de solda (2) foi formado sobre todo o comprimento da peça (1) tanto na zona nitretada (1a) como nas zonas tratadas pela implementação do método da invenção em uma ou duas etapas, caracterizadas respectivamente pela zona (A) e pela zona (B).

[0027] Recorda-se que um objetivo da invenção é modificar a estrutura da peça (1) por transformação da camada superficial de modo a permitir que qualquer tipo de soldadura seja realizada na zona tratada desta maneira.

[0028] Assim, uma zona (A) é submetida a uma primeira etapa na qual pelo menos um feixe de laser é movido em pelo menos uma passagem até a camada superficial ser completamente removida da referida zona (1a). Obtiveram-se resultados vantajosos quando se realizou uma pluralidade de passagens com um espaço entre linhas entre as passagens que ficaram na faixa de 0,01 mm a 0,05 mm e preferencialmente com um espaço entre linhas de 0,02 mm. Este método é implementado por meio de um laser de 20 W de fibra e pulso ajustado a cerca de 20 kHz e a 50% da sua potência, desfocado por 5 mm e sujeito a uma velocidade de avanço de cerca de 300 mm/s.

[0029] Para a soldadura TIG, faz-se referência às curvas das Figuras 2, 2A e 2B e aos cortes metalográficos das Figuras 5 e 6. A Figura 6 mostra uma soldadura TIG em uma zona (A) tratada pela implementação da primeira etapa do método de tratamento, a ser comparado com a Figura 5 que mostra uma soldadura TIG na superfície nitretada não tratada.

[0030] Para a soldadura a laser, faz-se referência às curvas das Figuras 2, 2A e 2B e aos cortes metalográficos das Figuras 7 e 8. A Figura 8 mostra uma soldadura a laser em uma zona (A) tratada pela implementação da primeira etapa do método de tratamento, a ser comparado com a Figura 7 que mostra uma soldadura a laser na superfície nitretada não tratada.

[0031] Uma zona (B) da peça (1) é previamente tratada implementando a primeira etapa do método da invenção tal como indicado acima.

[0032] Esta zona é então submetida a uma segunda etapa na qual o feixe de laser é movido em pelo menos uma passagem de modo a tornar possível modificar a distribuição da concentração de nitrogênio na referida zona na camada de difusão subjacente. Para esta segunda etapa, o mesmo laser de fibra e pulso de 20 W é usado com configurações diferentes.

[0033] Assim, o laser é ajustado a cerca de 200 kHz e a 100% da sua potência desfocado por 5 mm e sujeito a uma velocidade de avanço situada na faixa de 1 mm/s a 10 mm/s. Esta segunda etapa é realizada em uma única passagem.

[0034] Faz-se referência à curva na Figura 2B que mostra a redução adicional no teor de nitrogênio entre as duas etapas do método. Esta perda significativa de nitrogênio é difícil de conseguir com os ajustes da primeira etapa.

[0035] Estes vários testes mostram que a soldagem sobre uma superfície nitretada gerou uma aparência perturbada não uniforme com furos em superfície (Figura 3), os quais se tratam de furos de sopro (Figura 5).

[0036] Estes cortes metalográficos mostram que a invenção proporciona resultados de bom desempenho para a soldadura TIG, e também, em menor grau, para a soldadura a laser.

[0037] Ao associar uma segunda etapa ao método, observou-se também que a distribuição da concentração de nitrogênio foi modificada. Esta modificação foi caracterizada por uma redução no teor de nitrogênio na camada de difusão subjacente.

[0038] Resulta das características do método da invenção que o tratamento modifica a estrutura da peça transformando a camada superficial e tornando possível, por conseguinte, soldar uma peça nitretada.

[0039] Esta operação a laser é relativamente barata porque uma única operação é suficiente e permite tratar todos os tipos de peças com muita precisão, incluindo zonas específicas ou formas complexas.

[0040] Em resumo, e tendo em conta o fato de a nitretação não ser compatível com uma operação de soldadura, o método de tratamento permite, em uma primeira etapa, transformar a camada superficial e modificar a distribuição da concentração de nitrogênio na zona de difusão. Os resultados de bom desempenho foram alcançados não apenas para a soldagem TIG, mas também para a soldagem a laser. Esta primeira etapa é suficiente para tornar a zona compatível com a soldadura.

[0041] Em uma segunda etapa do método de tratamento, é possível modificar a distribuição da concentração de nitrogênio enquanto se reduz o teor de nitrogênio na camada de difusão. Surpreendentemente e inesperadamente, pareceu que uma redução na concentração de nitrogênio na zona de difusão deu um resultado inverso, especificamente que a soldadura era de qualidade inferior. Esta redução no teor de nitrogênio na camada de difusão pode ser importante para certas aplicações, por exemplo, para reduzir a fragilidade das peças.

Claims

1. Método de tratamento de uma peça de aço nitretada/nitrocarburada, caracterizado por compreender: - submeter pelo menos uma parte da peça a uma primeira etapa em que pelo menos um feixe de laser é movido em pelo menos uma passagem sobre a referida parte, até que a camada de superfície da parte considerada seja transformada em parte ou na totalidade e até que a distribuição da concentração de nitrogênio na zona de difusão seja modificada; e - submeter a parte pelo menos tratada por laser para transformar a camada de superfície a uma segunda etapa na qual pelo menos um feixe de laser é movido em pelo menos uma passagem sobre referida parte de modo a permitir que a concentração de nitrogênio na camada de difusão subjacente seja reduzida.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que, para a primeira etapa, várias passagens são realizadas com um espaço entre linhas entre as passagens compreendido entre 0,01 mm e 0,05 mm.

3. Método de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de o espaço entre linhas é de 0,02 mm.

4. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que, para a primeira etapa, um laser de fibra e pulso de 20 W é usado regulado em 20 kHz e a 50% da sua potência, desfocado por 5 mm e submetido a uma velocidade de avanço de 300 mm/s.

5. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que, para a segunda etapa, um laser de fibra e de pulso de 20 W é usado regulado em 200 kHz e a 100% da sua potência, desfocado por 5 mm e submetido a uma velocidade de avanço compreendida entre 1 mm/s e 10 mm/s.

6. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que, para a segunda etapa, uma única passagem é realizada.

7. Método de soldagem de uma peça nitretada/nitrocarburada, caracterizado por compreender: - submeter pelo menos uma parte da peça a uma primeira etapa em que pelo menos um feixe de laser é movido em pelo menos uma passagem sobre a referida parte, até que a camada de superfície da parte considerada seja transformada em parte ou na totalidade e até que a distribuição da concentração de nitrogênio na zona de difusão seja modificada, - submeter a parte pelo menos tratada por laser para transformar a camada de superfície a uma segunda etapa na qual pelo menos um feixe de laser é movido em pelo menos uma passagem sobre referida parte de modo a permitir que a concentraçãode nitrogênio na camada de difusão subjacente seja reduzida, - formar uma soldadura na parte tratada da peça.

8. Método de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a soldadura é formada por soldagem TIG.