NITRETAÇÃO À PLASMA – TRATAMENTO TERMOQUÍMICO DE SUPERFÍCIE

Entre os diversos segmentos de atuação do profissional da Engenharia Química, encontra-se a ciência dos biomateriais. Nesse âmbito, torna-se necessário a análise de diversos parâmetros a fim de garantir a eficiência do material a ser utilizado, pois este interagirá, em um ambiente bastante agressivo, com um organismo vivo, e esta interação deve ser, obrigatoriamente, benéfica para ambas as partes.

Inúmeras técnicas de tratamento de superfície têm sido desenvolvidas visando a melhoria das propriedades tribológicas de materiais como a dureza, a resistência ao desgaste, à fadiga e à corrosão.

Dentre essas técnicas, cabe citar a nitretação a plasma, que se destaca por ser uma das mais utilizadas. Esta ocorre por meio da utilização do plasma, havendo então a introdução de nitrogênio na superfície dos materiais, para conferir-lhe propriedades específicas.

A camada superficial formada por meio da nitretação a plasma apresenta diferentes fases contendo ferro e nitrogênio. Entre essas fases, as principais são: a fase γN, conhecida como fase fcc supersaturada de nitrogênio; a fase hexagonal ε-Fe2-3N; e a fase cúbica fcc γ’-Fe4N.

A nitretação a plasma é um processo onde se utiliza um equipamento de baixo custo, cuja operação é relativamente simples e facilmente controlável, sendo que, as propriedades superficiais do material podem ser alteradas por meio da variação de alguns dos parâmetros impostos no sistema durante o tratamento, como a concentração, o tempo, a temperatura e a pressão.

O plasma empregado no processo, chamado de descarga elétrica ou descarga luminescente, corresponde a um gás parcialmente ionizado, produzido em um forno reator composto por uma bomba a vácuo, uma fonte de tensão, dois eletrodos (cátodo e ânodo) e uma câmara de aço inoxidável possuindo entrada para o gás nitretante e saídas para controlar os parâmetros que envolve o sistema. Nesse sistema, o material a ser tratado encontra-se ligado ao cátodo e a câmera do reator ao ânodo. Na Figura 1 é apresentado o esquema de um equipamento de nitretação a plasma.

Figura 1 – Esquema de um equipamento de nitretação a plasma.
Fonte: CAMPOS, M, 2009.

O processo de nitretação tem início com a formação do plasma, quando uma diferença de potencial é aplicada entre os dois eletrodos contidos no sistema fechado na presença de uma mistura gasosa, normalmente constituída por nitrogênio e hidrogênio, havendo a ionização de algumas partículas do gás, dando origem a novos íons e elétrons e a novas moléculas excitadas.

Os íons e elétrons resultantes da ionização parcial do gás são acelerados por um campo elétrico criado no sistema, estando em constante colisões com outras partículas do gás, produzindo mais íons, gerando uma corrente elétrica que varia de acordo a diferença de potencial aplicada entre os eletrodos.

Diferentes tipos de descargas característica podem ser obtidas, dependendo da diferença de potencial aplicada entre os eletrodos e da corrente de descarga gerada, como apresentado na Figura 2.

A descarga mais indicada para a nitretação é designada descarga anômala. Nesta, a amostra é completamente envolvida pelo plasma.

Figura 2 – Curva Característica da Voltagem versus Corrente de diferentes tipos de descarga em gases entre dois eletrodos.
Fonte: EDENHOFER, B, 1974 apud CAMPOS, M, 2009.

Com o passar do tempo, vários modelos foram desenvolvidos a fim de explicar de que forma se dão as interações das espécies que compõem o gás nitretante e a superfície do material a ser nitretado. O mais aceito entre os estudiosos é o modelo de Kölbel.

O modelo de Kölbel propõe que os íons acelerados bombardeiam a superfície do material resultando em um aquecimento e retirada de átomos de Fe da superfície. Estes átomos de Fe reagem com espécies do plasma próximo à superfície da amostra dando origem a compostos instáveis do tipo nitreto de ferro, que são adsorvidos na superfície do material.

Após serem bombardeados pelos íons do plasma, os nitretos instáveis são recombinados para formarem nitretos mais estáveis: γ’-Fe4N e ε-Fe2-3N.

REFERÊNCIAS

Estudo da Resistência À Corrosão Por Técnicas Eletroquímicas e Espectroscopia Mössbauer Do Biomaterial AISI 316 L Nitretado a Plasma

Caracterização das Propriedades Mecânicas De Biomateriais Metálicos

Investigação por Espectroscopia Mössbauer das fases formadas e sua influência na resistência à corrosão do aço inoxidável austenítico AISI 316L nitretado