BR112019008898A2

BR112019008898A2 - processo para tratamento a quente de uma peça de trabalho consistindo em um aço de alta liga

Info

Publication number: BR112019008898A2
Application number: BR112019008898A
Authority: BR
Inventors: Kuebler Ralf
Original assignee: Bosch Gmbh Robert
Priority date: 2016-11-08
Filing date: 2017-10-30
Publication date: 2019-08-13
Also published as: FR3058423A1; DE102016221891A1; BR112019008898B1; CN109923219B; EP3538676A1; CN109923219A; WO2018086930A1; EP3538676B1

Abstract

processo para tratamento a quente de uma peça de trabalho (s) consistindo em aço de alta liga, sendo que a peça de trabalho (s) é aquecida a uma primeira temperatura (t1) em um ambiente de vácuo, sendo que a primeira temperatura (t1) é mantida constante durante uma primeira fase de manutenção (h1), sendo que a peça de trabalho (s) em seguida é aquecida a uma segunda temperatura (t2) mais elevada em relação à primeira temperatura (t1), sendo que a segunda temperatura (t2) é mantida constante durante uma segunda fase de manutenção (h2), e sendo que a peça de trabalho (s) é resfriada bruscamente após a segunda fase de manutenção (h2), sendo que uma superfície (1) do aço de alta liga (s) é banhada com gás de processo e/ou uma mistura de gases de processo que libera hidrogênio, durante a primeira fase de manutenção (h1) em uma primeira etapa de tratamento (b1) para limpeza e ativação da superfície (1), sendo que a superfície (1) é banhada com um gás de processo e/ou uma mistura de gases de processo (p2) que libera hidrogênio, durante a primeira fase de manutenção (h1) em uma segunda etapa de tratamento (b2) para configuração de uma camada (2) contendo nitreto, e sendo que a camada (2) contendo nitreto está prevista para otimizar um processo de nitretação gasosa a jusante.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para PROCESSO PARA TRATAMENTO A QUENTE DE UMA PEÇA DE TRABALHO CONSISTINDO EM UM AÇO DE ALTA LIGA.

[001] A presente invenção refere-se a um processo para tratamento a quente de uma peça de trabalho consistindo em aço de alta liga.

Estado da Técnica [002] Para elevação da resistência a oscilações, da resistência à corrosão e à resistência ao desgaste de componentes metálicos, é conhecido nitrurar estes em regiões próximas à superfície. Através de nitretação diversos nitretos se separam dentro do material metálico na região de superfície. Isto leva à formação de esforços internos de pressão, os quais parcialmente assumem valores muito altos na região de borda. Em função do distanciamento de superfície os esforços internos diminuem com crescente afastamento da região de borda. A presença de esforços internos de pressão leva a resistências a oscilações melhoradas. A nitretação é empregada, entre outras coisas, também para aços de alta liga, especialmente para componentes como corpos de bocal, corpos de válvula ou placas de estrangulamento.

[003] Aços de alta liga constituem uma camada de óxido natural de poucos nanometres em virtude da alta afinidade de oxigênio de seus elementos de liga. Esta camada de óxido surge em contato com ar e consiste, por exemplo, em óxido de cromo, óxido de vanádio, óxido de ferro e outros óxidos. Como a camada de óxido está configurada muito compacta e parcialmente resistente à difusão, pode-se influenciar negativamente uma difusão prejudicial de nitrogênio a temperaturas elevadas, especialmente entre 480°C e 590°C, e até eliminar completamente. Camadas de ligação e camadas de difusão heterogêneas com distintas propriedades funcionais são a consequência. A camada de óxido que surge naturalmente pode ser removida com um ácido antes do processo de nitretação propriamente dito, por exemplo, quimicamente, através de um processo cáustico. Além disso, a camada de óxido pode ser removida também mecanicamente através de escovas e/ou polimento, ou eletricamente através de aplicação de uma tensão correspondente.

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2/10 [004] A formação de uma camada de óxido sobre o aço de alta liga que entra em contato com ar traz desvantagens no tratamento posterior da superfície ou na remoção da camada de óxido. Através do tratamento com ácidos muitas vezes formam-se cubos locais em consequência de distintas espessuras de camada de óxido ou quando do tratamento posterior os restos têm que ser removidos de maneira dispendiosa por meio de processos de limpeza ou remoção caros. Verificou-se ainda que caso de componentes com geometrias complicadas um tratamento químico, mecânico ou elétrico posterior não traz o efeito desejado por causa da geométrica complicada. Especialmente furos cegos e são difíceis de acessar, uma remoção ótima da camada de óxido não é garantida. Isto leva forçosamente a lacunas após a nitretação ou a camadas de ligação e difusão heterogêneas e podería levar a uma falha prematura de componente.

[005] Do documento EP 1122331 B1 é conhecido um processo para tratamento a quente de peças de trabalho metálicas, especialmente para nitretação ou nitrocarburação de materiais de ferro ligados. Inicialmente as peças de trabalho são aquecidas em um forno de nitretação a uma temperatura entre 400°C e 500°C em uma atmosfera gasosa contendo amoníaco. Em seguida as peças de trabalho são aquecidas a uma temperatura entre 500°C e 700°C em uma atmosfera de gás contendo amoníaco e um agente de oxidação acrescido. As peças de trabalho são expostas a esta temperatura e a esta atmosfera gasosa por um tempo de até 5 horas.

Objetivo e Consecução do Mesmo [006] É objetivo da invenção aperfeiçoar um tratamento a quente de uma peça de trabalho de um aço de alta liga.

[007] Este objetivo é alcançado, de acordo com a invenção, através de um processo de acordo com a reivindicação principal. Outras configurações vantajosas resultam das reivindicações dependentes. Divulgação da Invenção [008] No âmbito da invenção foi desenvolvido um processo para tratamento a quente de um aço de alta liga.

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3/10 [009] A peça de trabalho consistindo em um aço de alta liga é aquecida em um ambiente de vácuo a uma primeira temperatura, sendo que a primeira temperatura é mantida constante durante uma primeira fase de manutenção, sendo que a peça de trabalho em seguida é aquecida a uma segunda temperatura mais alta em relação à primeira temperatura, sendo que a segunda temperatura é mantida constante durante uma segunda fase de manutenção, e sendo que a peça de trabalho, após a segunda fase de manutenção, é resfriada bruscamente, de preferência em meios gasosos, ou vaporizantes. Uma superfície da peça de trabalho, especialmente também os contornos internos, durante a primeira fase de manutenção, em uma primeira etapa de tratamento, são banhados por um gás de processo que libera hidrogênio e/ou uma mistura de gases de processo para purificação e ativação da superfície, sendo que a superfície, durante a primeira fase de manutenção, é banhada, em uma segunda etapa de tratamento, com um gás de processo que libera nitrogênio e/ou mistura de gases de processo para configuração de uma camada fina contendo nitreto, e sendo que a camada contendo nitreto está prevista para otimizar um processo de nitretação em fase gasosa a jusante.

[0010] O tratamento a quente de acordo com a invenção se divide no processo de fabricação de uma peça de trabalho consistindo em aço de alta liga após o tratamento mole inicial, especialmente a produção da peça a partir de uma peça bruta. Após o tratamento a quente de acordo com a invenção, especialmente endurecimento, ocorre o cozimento da peça de trabalho, por exemplo, em um forno de cozimento livre de oxigênio evacuável. Em outras palavras o cozimento das peças de trabalho é um segundo tratamento a quente. Antes do tratamento de endurecimento seguinte da peça de trabalho para transformar em componente acabado e do ajuste de massa final através de polimento, torneamento duro e processos semelhantes, ocorre a terceira etapa de tratamento a quente, na qual, por meio de nitretação gasosa, preferivelmente a 480 - 590°C, as propriedades requeridas para a peça de trabalho, especialmente da superfície da peça de trabalho são ajustadas através de difusão de nitrogênio na peça de trabalho.

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4/10 [0011] Por ambiente de vácuo deve-se entender um vácuo técnico com uma pressão de, no máximo, 5 kPa (50 mbar). O forno de vácuo é hermético e uma bomba ligada ao interior do forno de vácuo estabelece as condições de ambiente de vácuo no forno de vácuo. Através do processo de têmpera de acordo com a invenção a camada de óxido formada naturalmente ou camada passiva é aberta e a superfície do aço de alta liga é purificada. A realização do processo no vácuo ou em atmosfera livre de oxigênio impede ou retarda a formação de uma nova camada passiva e/ou a repassivação do aço de alta liga. Assim se evita, adicionalmente, um empobrecimento junto à borda de elementos de liga que elevam a têmpera.

[0012] Pelo conceito fase de manutenção deve-se entender a manutenção de uma temperatura, em que a peça de trabalho assume a temperatura interna do forno de vácuo para realização da primeira e da segunda fase de tratamento. Durante a primeira fase de manutenção o aço de alta liga é banhado, em uma primeira etapa de tratamento, por um gás de processo e/ou uma mistura de gases de processo que libera hidrogênio. Preferivelmente a introdução do gás ocorre de modo constante. É possível também um decurso pulsante, variável ou controlado por pressão do fluxo.

[0013] O banho da peça de trabalho na primeira etapa de tratamento representa uma etapa de limpeza e ativação, para favorecer a difusão de nitrogênio na superfície do aço na segunda etapa de tratamento em virtude da superfície assim limpa e ativada e da temperatura elevada no forno de vácuo. A primeira temperatura para a primeira etapa de tratamento fica preferivelmente entre 800 e 1090°C, preferivelmente em 900°C, para garantir um efeito de alternância ótimo do gás de processo e/ou mistura de gases de processo que libera hidrogênio, com a superfície da peça de trabalho. Na primeira etapa de tratamento a camada de óxido é aberta e uma repassivação da superfície com o auxílio do vácuo é impedida. Com isso, a superfície da peça de trabalho é altamente reativa em relação à difusão de nitrogênio na segunda etapa de tratamento. Após a conclusão da primeira etapa de tratamento, começa a segunda etapa de tratamento à primeira temperatura constante do forno. Nesse caso o aço de alta liga é

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5/10 banhado com um gás de processo e/ou mistura de gases de processo que libera nitrogênio para configuração de uma camada contendo nitreto. Preferivelmente emprega-se nitrogênio puro (N2) ou amoníaco (NH3) ou uma mistura de nitrogênio/amoníaco. Aços ligados ou aços de alta liga prestamse preferivelmente para nitretação, uma vez que os elementos de liga desses aços preferivelmente se ligam com 0 nitrogênio atômico para formar nitretos. Aços não ligados podem formar camadas nitruradas frágeis, que tendem a rebentar durante a nitretação. Para a nitretação prestam-se especialmente aços com percentagens de carbono entre 0,3 e 0,6% em massa e elementos de liga como cromo ou vanádio, os quais formam nitretos de camada de borda a temperaturas elevadas.

[0014] A vantagem resultante através da chamada pré-nitretação no processo de têmpera de acordo com a invenção em relação a métodos de produção convencionais de peças de trabalho a partir de aços de alta liga é que, em virtude do ambiente de vácuo e da limpeza e ativação através do gás de processo e/ou da mistura de gases de processo que liberam hidrogênio durante a nitretação na segunda etapa de tratamento do processo de têmpera, forma-se uma camada de nitreto homogênea e espessa sobre a superfície. Esta camada de nitreto pode ser considerada como camada de germinação ou camada de passivação, uma vez que a etapa de nitretação propriamente dita só ocorre após 0 cozimento e antes do tratamento duro da peça de trabalho.

[0015] Além disso a pré-nitretação no processo de têmpera otimiza também a nitretação gasosa na etapa de produção a jusante. Em virtude da camada de germinação homogênea a partir do processo de têmpera formase, quando da nitretação gasosa no forno de câmara, uma camada de ligação mais compacta com percentagem de poros consequentemente menor. O efeito de nitretação, 0 qual é descrito com 0 auxílio do chamado número característico de nitretação, é consequentemente mais elevado em virtude da pré-nitretação no processo de têmpera. O número característico de nitretação resulta das pressões parciais do gás de processo e/ou da mistura de gases de processo que liberam nitrogênio e da pressão parcial do hidrogênio. Quanto mais alto 0 número característico de nitretação, tanto

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6/10 mais forte é o potencial para formação de nitreto. Se a percentagem de nitrogênio no material ultrapassa a solubilidade máxima do nitrogênio no material de base formam-se nitretos. Diretamente sobre a superfície essas precipitações de nitreto constituem a camada de ligação. Partindo da superfície, forma-se um gradiente de nitrogênio decrescente, esta região é designada como camada de difusão. Nesta região não estão presentes precipitações de nitreto bem como grades metálicas de nitrogênio dissolvido. Em aços o ferro se transforma em nitreto de ferro e, em aços de alta liga, por exemplo, cromo, vanádio se transformam em nitretos correspondentes. Como através da pré-nitretação no processo de têmpera está presente uma camada de germinação nitrurada, é necessário um número característico de nitretação mais baixo quando do processo de nitretação, pelo que a condução do processo é facilitada e simplificada. Do mesmo modo o processo de nitretação gasoso pode ser encurtado e/ou ser realizado a temperaturas mais baixas, o que torna o processo adicionalmente mais econômico.

[0016] Além disso, a camada nitrurada, após o processo de têmpera, torna o processo de cozimento mais insensível, uma vez que, através de nova elevação de temperatura abaixo da temperatura de transformação, tensões diminuem, de acordo com a composição do aço outros carbonetos especiais precipitam e pode ser ajustada uma dureza mais baixa, sem arriscar um efeito de alternância dos elementos de liga na superfície do material de base com a atmosfera de forno.

[0017] Preferivelmente, durante a segunda etapa de tratamento, há uma alternância no processo de têmpera da primeira fase de manutenção para a segunda fase de manutenção. Na segunda fase de manutenção o aço de alta liga é aquecido à segunda temperatura. A segunda temperatura deve ser entendida também como temperatura de austenitização. À temperatura ambiente o aço de alta liga existe substancialmente como ferrita e carboneto, o qual se transforma em austenita a temperaturas elevadas e os carbonetos se dissolvem parcialmente. Portanto, o objetivo é utilizar a alta solubilidade de carbono a temperaturas elevadas na austenita.

[0018] À temperatura de austenitização carbono se difunde na grade da

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7/10 austenita. Se o aço de alta liga se resfria bruscamente em seguida, o carbono não pode mais se difundir para fora da grade e distorce esta devido ao aumento de volume tetragonal, pelo que essencialmente se forma martensita. Quanto maior a velocidade de resfriamento brusco, tanto mais elevada a percentagem de martensita. Para introdução do processo de resfriamento brusco a segunda etapa de tratamento termina com a segunda fase de manutenção.

[0019] De modo ainda preferido, a duração da segunda etapa de tratamento, a segunda temperatura do aço de alta liga durante a segunda etapa de tratamento e/ou a pressão parcial de nitrogênio na superfície do aço de alta liga durante a segunda etapa de tratamento são escolhidas de tal modo, que a camada contendo nitreto é configurada com uma espessura menor que 2 pm, preferivelmente com uma espessura de 0,001 pm a 1 pm.

[0020] Preferivelmente a camada contendo nitreto apresenta nitretos precipitados em forma plana ou em forma cristalina. Cromo pode formar nitretos em forma plana, sendo que ferro preferivelmente forma nitretos cristalinos.

[0021] Preferivelmente o gás de processo e/ou mistura de gases de processo que libera hidrogênio banha a superfície com uma primeira pressão de tratamento e o gás de processo e/ou a mistura de gases de processo que libera nitrogênio banha a superfície com uma segunda pressão de tratamento, sendo que a respectiva pressão de tratamento fica em uma faixa de pressão entre 1 kPa (10 mbar) e 300 kPa (3000 mbar). Nesse caso faixa de pressão escolhida depende muito das propriedades da peça de trabalho.

[0022] Ainda de modo preferido a primeira pressão de trabalho é menor do que a segunda pressão de trabalho. Quanto mais alta a segunda pressão de trabalho, tanto maior o potencial para formação de nitreto na região próxima à borda da peça de trabalho e tanto mais profundamente o nitrogênio se difunde na peça de trabalho.

[0023] Outras medidas que melhoram a invenção estão representadas mais detalhadamente a seguir conjuntamente com a descrição de um exemplo de realização preferido da invenção com o auxílio de Figuras.

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Exemplos de Realização [0024] São mostrados:

[0025] Figura 1 - a linha de temperatura T e da pressão p através do tempo em um exemplo de realização do processo de acordo com a invenção, e [0026] Figuras 2 a 5 - as etapas processuais de acordo com a invenção para tratamento a quente de uma peça de trabalho consistindo em aço de alta liga.

[0027] A Figura 1 mostra, a título de exemplo, a condução do processo para um exemplo de realização do processo de acordo com a invenção. Nesse caso a ordenada esquerda 4 descreve o eixo de temperatura, a ordenada direita 5 descreve o eixo de pressão parcial e a abscissa 6 descreve o eixo de tempo. A curva contínua superior designa a linha da temperatura T através do tempo. A curva contínua inferior designa a linha da pressão parcial p através do tempo. Ao longo do eixo do tempo estão definidos trechos A1, H1, A2, H2, F bem como B1 e B2, nos quais ocorrem distintas atividades.

[0028] Na primeira fase de aquecimento A1 a peça de trabalho S é inicialmente aquecida da temperatura ambiente para uma temperatura T1 de 900°C. A taxa de aquecimento é substancialmente constante. O forno de vácuo, no qual o processo é realizado, está sob um vácuo técnico, com uma depressão inferior a 5 kPa (50 mbar) (Figura 2). É possível ainda gerar o vácuo somente após se atingir uma determinada temperatura.

[0029] Na primeira fase de manutenção H1 que segue a primeira fase de aquecimento A1 a primeira temperatura T1 é mantida constante em cerca de 900°C. Durante a fase de aquecimento A1 não é alimentado nenhum gás de processo ou mistura de gases de processo G1, G2 contendo hidrogênio ou nitrogênio. Durante a primeira fase de manutenção H1 começa a primeira etapa de tratamento B1, na qual a peça se trabalho S é banhada com um gás de processo ou mistura de gases de processo contendo hidrogênio G1 com uma primeira pressão de tratamento P1. A primeira pressão de tratamento P1 corresponde à pressão parcial de hidrogênio que atua sobre a superfície 1 da peça de trabalho S. A pressão parcial corresponde à pressão

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9/10 que os componentes de gás individuais, neste caso hidrogênio, exercería estando presente sozinho em um determinado volume. A passagem do gás de processo ou mistura de gases de processo contendo hidrogênio G1 ocorre de maneira constante (Figura 3). Durante a primeira etapa de tratamento a camada de óxido 7 formada naturalmente ou camada passiva do aço de alta liga é aberta e a superfície 1 da peça de trabalho S é limpa e ativada em relação à difusão de nitrogênio na segunda etapa de tratamento a jusante B2.

[0030] A primeira etapa de tratamento B1 é seguida pela segunda etapa de tratamento B2, na qual a peça de trabalho S é banhada com um gás de processo ou mistura de gases de processo G2 que contém nitrogênio com uma segunda pressão de tratamento P2. A segunda pressão de tratamento P2 corresponde à pressão parcial de nitrogênio que atua sobre a superfície 1 da peça de trabalho S. A passagem do gás de processo ou da mistura de gases de processo G2 contendo nitrogênio ocorre de modo constante (Figura 4). A segunda pressão de tratamento P2 é mais alta do que a primeira pressão de tratamento P1, sendo que a respectiva pressão de tratamento P1, P2 fica entre 1 kPa (10 mbar) e 300 kPa (3000 mbar).

[0031 ] Durante a segunda etapa de tratamento B2, após a primeira fase de manutenção H1, segue uma segunda fase de aquecimento A2, seguida de segunda fase de manutenção H2. A taxa de aquecimento é constante. A peça de trabalho S é aquecida inicialmente da primeira temperatura T1 para a segunda temperatura T2, a qual então é mantida constante. A segunda temperatura T2 corresponde à temperatura de austenitização da peça de trabalho S. Na região de borda, durante a manutenção em temperatura de austenitização, ocorre uma transformação de fase para uma textura austenítica. Na segunda etapa de tratamento B2 que segue a primeira fase de manutenção H1 o gás de processo ou a mistura de gases de processo G2 contendo nitrogênio, na segunda fase de manutenção H2, banha a peça de trabalho S ainda com uma segunda pressão de tratamento P2 e com fluxo de passagem constante. A segunda fase de manutenção H2 corresponde então a uma fase de nitretação. Em virtude da segunda temperatura T2 nitrogênio atômico se difunde do gás de processo ou mistura

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10/10 de gases de processo G2 contendo nitrogênio para a superfície 1 da peça de trabalho S e se liga aos elementos de liga formadores de nitreto, como por exemplo, cromo, vanádio ou ferro. A duração da segunda etapa de tratamento B2, a segunda temperatura T2 da peça de trabalho S, durante a segunda etapa de tratamento B2, e a segunda pressão de tratamento B2 na superfície 1 da peça de trabalho S durante a segunda etapa de tratamento B2 influenciam a espessura da camada 2 contendo nitreto, a qual fica entre 0,001 pm e 1 pm (Figura 5).

[0032] A segunda fase de manutenção H2 e a segunda etapa de tratamento B2 são seguidas de uma fase de resfriamento brusco F para ajuste de uma textura substancialmente martensítica. O forno de vácuo 3 e a peça de trabalho S são resfriados bruscamente à temperatura ambiente.

[0033] As Figuras 2 a 5 descrevem as etapas processuais de acordo com a invenção para o tratamento a quente de uma peça se trabalho S consistindo em um aço de alta liga em desenho de corte de acordo com a condução de processo mostrada e esclarecida na Figura 1.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Processo para tratamento a quente de uma peça de trabalho (S) consistindo em um aço de alta liga, em que a peça de trabalho (S) é aquecida a uma primeira temperatura (T1) em um ambiente de vácuo, em que a primeira temperatura (T1) é mantida constante durante uma primeira fase de manutenção (H1), em que o componente (S) em seguida é aquecido a uma segunda temperatura (T2) mais elevada em relação à primeira temperatura (T1), em que a segunda temperatura (T2) é mantida constante durante uma segunda fase de manutenção (H2), e em que a peça de trabalho (S) é resfriada bruscamente após a segunda fase de manutenção (H2), em que uma superfície (1) da peça de trabalho (S) é banhada com um gás de processo e/ou uma mistura de gases de processo (G1) que libera hidrogênio, durante a primeira fase de manutenção (H1), em uma primeira etapa de tratamento (B1), para limpeza e ativação da superfície (1), em que a superfície (1) é banhada por um gás de processo e/ou uma mistura de gases de processo (G2) que libera nitrogênio durante a primeira fase de manutenção (H1), em uma segunda etapa de tratamento (B2) para configuração de uma camada (2) contendo nitreto, e em que a camada (2) contendo nitreto está prevista para otimizar um processo de nitretação gasosa a jusante, caracterizado pelo fato de que, durante a segunda etapa de tratamento (B2), muda-se da primeira fase de manutenção (H1) para a segunda fase de manutenção (H2); o gás de processo e/ou a mistura de gases de processo que libera hidrogênio (G1) banha a superfície (1) com uma primeira pressão de tratamento (P1) e o gás de processo e/ou a mistura de gases de processo (G2) que libera nitrogênio banha a superfície (1) com uma segunda pressão de tratamento (P2), em que que a respectiva pressão de tratamento (P1, P2) fica em uma faixa de pressão entre 1 kPa (10 mbar) e 300 k Pa (3000 mbar); a segunda etapa de tratamento (B2) termina com a segunda fase de manutenção (H2); a primeira temperatura (T1) durante a segunda fase de manutenção (H2) é de pelo menos 800 a 1090°C, e preferivelmente 900°C; e a segunda temperatura (T2) é escolhida como temperatura de austenitização da peça de trabalho (S).
2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo

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2/2 fato de que a duração da segunda etapa de tratamento (B2), a segunda temperatura (T2) da peça de trabalho (S), durante a segunda fase de tratamento (B2), e/ou a segunda pressão de tratamento (P2) na superfície (1) da peça de trabalho (S) durante a segunda etapa de tratamento (B2) são escolhidas de tal modo, que a camada (2) contendo nitreto é configurada com uma espessura inferior a 2 pm, preferivelmente com uma espessura de 0,001 pm a 1 pm.
3. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a camada contendo nitreto (2) apresenta nitretos em forma de superfície ou em forma cristalina.
4. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a primeira pressão de tratamento (P1) é inferior à segunda pressão de tratamento (P2).