Resolvendo problemas de nitretação a gás de engrenagens: Contramedidas eficazes

1. Prefácio

A nitretação a gás tem várias vantagens em relação à nitretação iónica, incluindo a facilidade de operação, a elevada repetibilidade do processo, uma estrutura de equipamento simples e a capacidade de obter um controlo automático do processo.

Uma das vantagens mais significativas da nitretação a gás é a melhoria da uniformidade da temperatura e da atmosfera durante o processo.

Em particular, a profundidade da camada de nitruração na raiz do dente e no círculo de passo das engrenagens de pequeno módulo é mais uniforme durante a nitruração gasosa do que durante a nitruração iónica.

Nos últimos anos, o processo de nitruração a gás registou avanços significativos, como o desenvolvimento de processos de pré-oxidação e de nitruração a gás e de várias outras técnicas de nitruração a gás.

Estes avanços reduziram o tempo do ciclo de produção entre a nitretação iónica e a nitretação a gás em graus variáveis.

No entanto, é essencial prestar atenção a potenciais problemas durante o processo de controlo da atmosfera durante a nitretação de engrenagens.

2. Limpeza antes da nitruração gasosa

Antes da nitretação a gás e do carregamento, a engrenagem deve ser cuidadosamente limpa para garantir que não haja água ou impurezas.

Se este passo não for corretamente completado, a superfície nitretada resultante pode ter um aspeto irregular e podem aparecer manchas escuras.

Embora não exista uma diferença significativa na profundidade da camada nitretada, na dureza ou na estrutura metalográfica entre as áreas salpicadas e as áreas normais, estas manchas podem afetar significativamente a qualidade do aspeto geral da engrenagem.

A macro morfologia destas áreas irregulares salpicadas foi analisada utilizando um estereomicroscópio de ultra-profundidade de campo (como se vê na Figura 1).

Fig. 1 Macro morfologia da área de speckle da face final da engrenagem

A morfologia microscópica da área manchada foi analisada utilizando um microscópio eletrónico de varrimento (como se pode ver na Figura 2). As áreas que pareciam brancas a olho nu foram observadas ao microscópio eletrónico de varrimento.

Fig. 2 micro morfologia da área de speckle da face final da engrenagem

A composição química da área manchada com aspeto anormal na face final da engrenagem foi comparada e analisada com a área normal na face final da engrenagem. Os resultados desta comparação são apresentados na Tabela 1.

Tabela 1: resultados comparativos (fração mássica) (%) da determinação da composição química na micro-área da face final da engrenagem

Como se pode ver no Quadro 1, o teor do elemento O na zona manchada anormal é superior ao da zona normal. Para além de um teor mais elevado de O, também contém vestígios de Na, S, Cl, K, Ca, Mg, Al e outros elementos provenientes de resíduos de água, agentes de limpeza e óleo de barbear.

Esta análise mostra que o aparecimento da nitretação gasosa é causado por uma limpeza deficiente antes do processo de nitretação. Por conseguinte, deve ser dada especial atenção aos seguintes pontos durante a limpeza das engrenagens de nitruração gasosa:

• Quando se utiliza um agente de limpeza à base de água, a temperatura da água para o enxaguamento final não deve ser demasiado elevada. Se a temperatura da água for demasiado elevada, evaporar-se-á rapidamente e deixará resíduos na superfície da peça de trabalho. É preferível reduzir a temperatura de enxaguamento e utilizar uma pistola de ar de alta pressão para secar a peça de trabalho.
• A limpeza com substâncias como a acetona ou a gasolina é possível, mas estas substâncias têm um ponto de inflamação baixo. É importante garantir uma ventilação adequada e a segurança contra incêndios no ambiente de limpeza.
• A peça de trabalho deve ser bem seca antes de ser limpa com um produto de limpeza de hidrocarbonetos.
• A qualidade da água utilizada no processo de limpeza deve ser tida em conta, devendo ser utilizada água pura tanto quanto possível.

3. Controlo da distorção da nitretação de engrenagens

A distorção que ocorre durante a nitretação de engrenagens é influenciada por vários factores, incluindo a forma da engrenagem, a tensão residual da maquinagem, material da engrenagemA velocidade de arrefecimento da engrenagem após a nitretação.

Na produção típica, as pessoas tendem a concentrar-se nos primeiros factores, mas muitas vezes ignoram a velocidade de arrefecimento da engrenagem após a nitretação. Isto é especialmente relevante para o furo interior das engrenagens de paredes finas, que são particularmente sensíveis à velocidade de arrefecimento após a nitruração.

Por exemplo, considere a engrenagem mostrada na Figura 3.

Fig. 3 Tamanho da engrenagem

O tamanho do furo interno antes da nitretação era de φ 52-0,02-0,035mm. A Tabela 2 apresenta a relação entre o tempo de arrefecimento da engrenagem e a expansão do furo interior.

Tabela 2 Relação entre o tempo de arrefecimento da engrenagem e a expansão do furo interior

Os resultados dos testes mostram que a tendência de distorção dos furos interiores da engrenagem a diferentes velocidades de arrefecimento é consistente e geralmente aumenta, mas a extensão da distorção varia. Quando a taxa de arrefecimento após a nitruração é lenta, a distorção do furo interior é maior, e quando a taxa de arrefecimento após a nitruração é rápida, a distorção do furo interior é menor.

Para garantir uma distorção estável do orifício interior da engrenagem e melhorar a taxa de qualificação do orifício interior da engrenagem após a nitretação, a velocidade de arrefecimento da engrenagem durante a nitretação a gás deve ser cuidadosamente controlada.

4. Solução para a oxidação causada por fugas de gás do forno de nitretação a gás

Se ocorrer uma fuga de gás no forno de nitruração a gás devido a problemas de vedação ou outros, a superfície da peça de trabalho ficará oxidada. Esta oxidação não afecta a qualidade interna da peça, mas não cumpre as normas de qualidade da aparência. Nesta situação, o processo de redução descrito na Tabela 3 pode ser utilizado para a reparação.

Tabela 3 Processo de reparação de peças oxidadas

O aspeto da engrenagem após a nitretação a gás, a oxidação por fuga de gás e a redução está representado na Figura 4.

Fig. 4 Aspeto das engrenagens antes e depois da redução das fugas de amoníaco gasoso

É importante notar que durante o processo de redução de aparência, a temperatura de nitretação não deve exceder a temperatura da primeira nitretação. Normalmente, a temperatura de nitruração durante a redução deve ser cerca de 20°C mais baixa do que a última temperatura de nitruração. A duração do processo de redução pode ser ajustada com base na extensão da oxidação.

5. Conclusão

Os três problemas e soluções acima referidos realçam a importância de prestar atenção a todos os pormenores do processo de tratamento térmico. Com uma análise cuidadosa de cada passo, é possível resolver eficazmente quaisquer problemas que possam surgir.