Por último, mas certamente não menos importante, como diz o ditado, é nossa discussão de simuladores de processo de nitretação a gás e nitrocarbonetação e como eles são usados para prever e controlar esses processos de endurecimento de camadas. Vamos aprender mais.

Hoje, esses simuladores estão disponíveis em vários fabricantes de equipamentos origi­nais e instituições acadêmicas com o objetivo de determinar os parâmetros do processo de nitretação (ou seja, receitas de ciclo) necessários para obter uma determinada profundidade de caso, prever a composição da camada composta e antecipar a dureza da superfície final e núcleo, bem como a distribuição de dureza em toda a camada.

 

 Principais Desafios

As simulações de nitretação são fortemente influenciadas por duas pré-condições: composi­ção do material (efeito dos elementos de liga na atividade de nitretação, solubilidade, limites de fase e coeficientes de difusão) e microestrutura anterior (isto é, dureza do núcleo e microes­trutura impactando o aumento final da dureza superficial, a dureza do núcleo e a distribuição final de dureza) produzidas por tratamentos térmicos anteriores, como operações de recozi­mento, normalização, austenitização e têmpera, ou têmpera e revenimento.

Uma das razões pelas quais a microestrutura anterior é tão importante é que os simuladores precisam determinar a quantidade de forma­dores de nitreto não ligados como carbonetos. Os processos de nitretação são idealmente realizados em aços temperados e revenidos. O revenimento é realizado a uma temperatura de pelo menos 10°C acima da temperatura de nitretação. Os simuladores (e a maioria das especificações) normalmente calculam a distri­buição de dureza e a profundidade da camada. A profundidade da camada é definida como a dureza do núcleo mais 50 HV.

Os simuladores também precisam determi­nar mudanças de dureza durante a nitretação. Isso é feito supondo-se que os efeitos de suavi­zação que ocorrem com o aumento da tempera­tura são semelhantes aos efeitos de revenimen­to. Outros fatores que influenciam os modelos do simulador (e envolvem uma compreensão profunda da cinética e da termodinâmica) são a nucleação, o crescimento e a composição da camada composta, o crescimento da camada de difusão / precipitação e a distribuição final da dureza.

Esses fatores são incorporados na saída dos vários simuladores (Fig. 1) com base no trabalho de indivíduos notáveis como Sun e Bell (teoria da nucleação[4]), Hosseini, Ashrafizadeh e Kermanpur (composição e crescimento da camada composta[5]), Fick (modelagem de difusão) e Kunze (crescimento da camada de precipitação[6]). Embora além do escopo deste artigo, o leitor é encorajado a revisar esses artigos para aprofundar sua compreensão de como esses fatores desempenham um papel no funcionamento interno desses simuladores.

 

Simuladores de Nitrocarbonetos Ferríticos

Simuladores para nitrocarbonetação ferritica (Fig. 2) são tipicamente adotados a partir de seus simuladores de nitrogênio gasoso observando o diagrama de ferro-nitrogênio-carbono (Fig. 3) a uma temperatura específica do processo e ajustando os diagramas para combinar com o aço em questão usando coeficientes de atividade apropriados.

 

Controle do Processo

O controle de um processo moderno de nitretação a gás (Eq. 1) é baseado no diagrama de Lehrer modificado[7], relacionando o potencial de nitretação aos limites da fase ferro-nitrogênio em função da temperatura[11].

O controle de um processo moderno de nitrocarbonetação (Eq. 2) é baseado no diagrama de controle Fe-NC, exibindo Fe2-3NC epsilon (ε) dependendo da temperatura, potencial de nitretação (KN) e potencial de cementação (KC) como mostrado na.

 

Arquitetura Aberta - Opinião de um Homem

As empresas individuais e instituições de pesquisa que investiram tempo, dinheiro e esforços consideráveis no desenvolvimento desses simuladores devem ser complementadas, mas os pacotes de software comercialmente disponíveis executados em computadores desktop ou laptop são necessários para sua adoção e uso mais amplos.

 

Resumo

Nesta série de artigos recentes, apresentamos a ideia à comunidade de tratamento térmico de que os simuladores de processo não apenas existem, mas podem ser usados para predições altamente precisas de receitas de processo e para antecipar a estrutura metalúrgica (e, em última análise, as características de desempenho) do processo das peças sendo executadas. Os simuladores de nitretação e nitrocarbonetação não são menos capazes do que suas contrapartes de cementação.

Pesquisas da indústria de tratamento térmico conduzidas pela ASM International no final dos anos 90 e início dos anos 2000 delinearam uma série de oito objetivos-chave da indústria, um dos quais foi a previsão de resultados com base na modelagem de tratamento térmico. A realização desse objetivo está mais perto do que nunca. Como tal, o tratador térmico precisa abraçar e usar essas ferramentas de simulação em seu trabalho diário.

 

Reconhecimento

O escritor - com grande orgulho e humildade - gostaria de agradecer ao bom amigo Dr. Karl-Michael Winter por suas contribuições para este artigo; seu compromisso inabalável com o avanço da tecnologia de nitretação / nitrocarbonetação a gás em toda a indústria de tratamento térmico; e suas muitas palestras, trabalhos e discussões ao longo dos anos.

 


 

 Referências

  1. Herring, Daniel H., Atmosphere Heat Treatment, Volume I, BNP Media, 2014
  2. Winter, Karl-Michael, “Simulation of Nitriding Process,” United Process Controls
  3. ASM Handbook, Volume 4a, Steel Heat Treating Fundamentals and Processes, Jon L. Dossett and George E. Totten (Eds.), ASM International, 2013, pp. 647-679
  4. Bell, T., “Controlled nitriding in ammonia hydrogen mixtures,” Heat Treatment, Vol. 73, 1975, pp. 51-57
  5. Hosseini, J.S.R., F. Ashrafizadeh and A. Kermanpur, “Calculation and Experimentation of the Compound Layer Thickness in Gas and Plasma Nitriding of Iron,” Iranian Journal of Science and Technology, Transaction B: Engineering, Vol. 34, No. B5, 2010, pp. 553-566
  6. Kunze, J., “Nitrogen and Carbon in Iron and Steel – Thermodyna­mics,” Phys. Res., Vol. 16, Akademie-Verlag, 1990
  7. Małdzin´ski, L., “Termodynamiczne, kinetyczne i technologiczne aspekty wytwarzania warstwy azotowanej na želazie i stalach w procesie regulowanego azotowania gazowego,” Praca habilitacyjna, 2003 (in Polish)
  8. Małdzin´ski, L. and L. Kunze, “Equilibrium Between NH3/H2 and Nitrogen in ε Phase of Iron-Nitrogen System,” Steel Research, 1986. 12: pp. 645-649
  9. Yang, M., R. D. Sisson, Jr., B. Yao and Y. H. Sohn, “Simulation of the Ferritic Nitriding Process, Int. Heat Treat. Surf. Eng., Volume 5 (No. 3), 2011, pp. 122-126
  10. Yang, M., “Nitriding – Fundamentals, Modeling and Process Opti­mization,” PhD Dissertation, Worcester Polytechnic Institute, 2012
  11. Herring, Daniel H., “Gas Nitriding – Something Old, Something New,” Industrial Heating, August 2017
  12. Weissohn, K.H. and K.-M. Winter, “Nitrieren – Nitrocarburierem,” Gaswärme Int. Vol. 8, 2002, pp. 328-336 (in German)