Tratamento Térmico de Níquel Químico: Dureza, Temperatura e Tempo

Tratamento Térmico de Níquel Químico: Dureza, Temperatura e Tempo

O tratamento térmico aumenta a dureza do níquel-fósforo químico ao formar fosfeto de níquel (Ni₃P) enquanto o depósito se separa em fases e cristaliza. A dureza mais alta costuma vir de cerca de uma hora entre 350 e 400 °C, conforme a Tabela 3 da ASTM B733-22 e o artigo de 1983, escrito em 1980 e revisado em 1983. O resultado depende do teor de fósforo e do ciclo de tratamento. Aquecer além do pico reduz a dureza.

Nos ensaios do artigo de 1983, os depósitos mediram cerca de 500 a 600 HV100 como depositados e até 1.100 HV100 após o tratamento térmico. A ASTM B733 especifica o tratamento térmico da Classe 2 a 260 a 400 °C até um mínimo de 850 HK100. Os valores de 1983 são microdureza Vickers a 100 gf (HV100), e a ASTM B733 declara o mínimo da Classe 2 em Knoop a 100 gf (HK100). As duas escalas não são intercambiáveis, então um resultado Vickers não se confere contra um mínimo Knoop sem uma base de conversão acordada com o cliente.

O endurecimento pode reduzir tanto a resistência à corrosão quanto a ductilidade, como mostraram os ensaios do artigo de 1983. O tratamento térmico também torna o depósito mais magnético, o que importa quando a espessura é conferida com um medidor magnético. Um cozimento convencional de alívio de hidrogênio em baixa temperatura sobre aço é separado de um ciclo de endurecimento.

📈 Qual a dureza do níquel químico após o tratamento térmico?

Nos ensaios do artigo de 1983, o pico foi de 1.050 a 1.100 HV100 após 400 °C (750 °F) por 1 hora, a partir de cerca de 500 a 600 HV100 como depositado. Os ciclos abaixo são microdureza Vickers a 100 gf (HV100) desses ensaios.

⚙️ Por que o tratamento térmico endurece o níquel químico?

O níquel químico endurece no aquecimento porque o revestimento como depositado é uma liga metaestável, um depósito que não atingiu o equilíbrio, e o calor permite que ele se separe em níquel e fosfeto de níquel. O níquel químico de um banho de hipofosfito é níquel que carrega vários por cento de fósforo, e a ASTM B733 declara que as propriedades do depósito variam principalmente com o teor de fósforo e com o tratamento térmico posterior. No artigo de 1983, depósitos de até cerca de 5% de fósforo são níquel cristalino com fósforo em solução sólida, depósitos entre cerca de 5 e 8,5% são parcialmente cristalinos, e depósitos acima de cerca de 8,5% são amorfos, sem padrão cristalino nos raios X. A ASTM B733 descreve revestimentos de baixo fósforo, de 2 a 4%, como microcristalinos, formados por cristais muito pequenos, com dureza como depositado de 620 a 750 HK100.

O níquel químico deposita sem retificador. O teor de fósforo que define a resposta do revestimento ao calor é estabelecido no tanque.

Nenhuma dessas estruturas como depositadas está em equilíbrio. No equilíbrio, o níquel quase não dissolve fósforo, então o calor dá à liga um caminho para se separar. O artigo de 1983 descreve a sequência:

1. De cerca de 220 a 260 °C (420 a 500 °F), começa a precipitação de Ni₃P. Pequenas partículas de fosfeto de níquel se formam dentro do depósito e resistem à deformação sob um indentador. Elas aparecem primeiro como partículas coerentes, ainda alinhadas com o metal ao redor, e depois como partículas distintas.
2. Acima de cerca de 320 °C (600 °F), o depósito cristaliza e perde o caráter amorfo.
3. Com o aquecimento contínuo, as partículas de Ni₃P se aglomeram em uma liga bifásica. Acima de cerca de 8% de fósforo, o Ni₃P se torna a matriz. Em depósitos de menor teor de fósforo, níquel quase puro é a fase principal.

O artigo de 1983 descreve o resultado como endurecimento por envelhecimento. Em um estudo de 2024 em Materials, Pedrizzetti e colegas atribuem o endurecimento de um revestimento de alto fósforo a 400 °C à cristalização do níquel e à precipitação de Ni₃P nanométrico, que fortalece o depósito. O revestimento sem partículas continha 11,44% de fósforo em massa, tinha cerca de 50 µm de espessura e era amorfo como depositado. Pedrizzetti e colegas mediram a dureza por indentação instrumentada, dureza calculada a partir da carga e da profundidade de penetração, que subiu de 6,26 para 9,37 GPa após uma hora a 400 °C, cerca de 50%.

Depois do pico, o revestimento amolece. Nos ensaios do artigo de 1983, uma hora a 540 °C deu 750 HV100, contra 1.100 HV100 após uma hora a 400 °C.

🧰 Que temperatura e que tempo endurecem o níquel químico?

Cerca de uma hora entre 350 e 400 °C endurece o níquel químico, e tempos mais longos o endurecem em temperaturas mais baixas. A Tabela 3 da ASTM B733-22 inclui 20 horas a 260 °C para depósitos do Tipo I entre os ciclos publicados da Classe 2. Nos ensaios do artigo de 1983, 2 horas a 290 °C (550 °F) deram 880 HV100 e 16 horas na mesma temperatura deram 1.050 HV100, enquanto uma hora a 400 °C chegou a 1.100 HV100. A 230 °C (450 °F) e abaixo, os ensaios do artigo de 1983 encontraram apenas um aumento mínimo, e o artigo observa que tratamentos nessa faixa raramente são usados, exceto para alívio de hidrogênio ou aderência.

Um termopar preso à peça mais pesada da carga.

A Tabela 3 da ASTM B733-22 apresenta estes ciclos publicados da Classe 2 para dureza máxima:

A ASTM B733 declara que o tempo até a dureza máxima varia com o teor de fósforo e que depósitos de alto fósforo podem precisar de um tempo mais longo, de uma temperatura mais alta, ou de ambos. Ela recomenda ensaiar ligas individuais quanto à dureza que podem atingir, sobretudo em temperaturas mais baixas e tempos mais longos. A ASTM B733 especifica um mínimo da Classe 2 de 850 HK100. A especificação cancelada de 1990, MIL-C-26074E, estabeleceu um mínimo de 800 Knoop para a sua Classe 2 e listou uma faixa semelhante em notas que não são obrigatórias, de 500 °F (260 °C) por 4 horas ou mais a 750 °F (399 °C) por 0,5 a 1 hora. O documento, a revisão e a classe no desenho definem a dureza mínima e a temperatura permitida, então leia-os antes de escolher um ciclo.

O substrato limita o ciclo

Um ciclo quente o bastante para endurecer o revestimento aquece tudo o que está sob ele. A ASTM B733 alerta que ligas de alumínio tratáveis termicamente, como a 7075, podem mudar de microestrutura e perder resistência acima de 130 °C, e especifica um tratamento de aderência de 120 a 130 °C para essas ligas. Todos os ciclos de dureza máxima da tabela correm a 260 °C ou mais. Para alguns metais-base ferrosos, a ASTM B733 recomenda 260 °C por mais de 20 horas para reduzir a perda de dureza superficial e de resistência, e declara que o tratamento térmico pode alterar a metalurgia do material de base, com o aço ao chumbo como exemplo. O artigo de 1983 acrescenta o empenamento da peça como razão para escolher uma temperatura mais baixa e um tempo mais longo. Se uma peça pode receber um ciclo de endurecimento é uma decisão de quem é responsável pelas propriedades do substrato, tomada antes de o revestimento ser pedido como Classe 2.

Garanta que a peça atinja a temperatura

A ASTM B733 exige tempo suficiente para que peças grandes atinjam a temperatura do forno, e alerta contra aquecimento e resfriamento rápidos de peças revestidas. Para um cozimento de alívio, a ASTM B733 exige que o tempo conte a partir do momento em que a totalidade de cada peça atinge a temperatura especificada. Uma tira fina de ensaio acompanha o ar do forno muito mais de perto do que um flange espesso. Uma peça pesada pode continuar aquecendo depois que um ciclo cronometrado a partir do controlador já começou, e pode então ficar menos tempo na temperatura do que a tira ensaiada depois quanto à dureza. A prática recomendada é um termopar na seção mais pesada, ou uma folga documentada de aquecimento para essa carga, de modo que o tempo registrado seja o da peça.

Atmosfera do forno

Acima de 260 °C, a ASTM B733 recomenda vácuo ou uma atmosfera inerte ou redutora para evitar a oxidação superficial do revestimento, e permite que o comprador exija uma. A ASTM B733 também exige que um gás que contenha hidrogênio seja evitado em peças de aço de alta resistência.

🧪 Um cozimento de alívio de hidrogênio endurece o níquel químico?

Um cozimento convencional de alívio em baixa temperatura sobre aço eleva a dureza do níquel químico apenas um pouco. Esse cozimento é um tratamento de alívio de hidrogênio e de aderência, e é separado de um ciclo de endurecimento.

O hidrogênio é um subproduto da reação do hipofosfito, e Pedrizzetti e colegas observam que parte dele permanece retida no revestimento em crescimento. Em aço de alta resistência, a preocupação é o hidrogênio que chega ao aço durante a limpeza, a ativação e a deposição. Quando o comprador especifica, a ASTM B733-22 exige um cozimento de alívio para aço de 1.000 MPa ou mais (300 HV10, 303 HB ou 31 HRC) e para peças endurecidas superficialmente. A ASTM B733-22 permite os tratamentos pós-revestimento listados no Guia B850. A B733 exige que o cozimento comece em até 3 horas após a deposição, ou assim que possível se o tamanho ou o peso da peça impedir isso, e recomenda um início em até 1 hora. Seu tratamento da Classe 3, para aderência em aço e alívio de hidrogênio, é de 180 a 200 °C por 2 a 4 horas.

As temperaturas da Classe 3 ficam abaixo da faixa de endurecimento. Nos ensaios do artigo de 1983, um cozimento a 190 °C (375 °F) levou um depósito de 480 para 500 HV100 e não causou aumento significativo da sua taxa de corrosão. Pedrizzetti e colegas mediram uma variação maior após 2 horas a 200 °C, cerca de 20% na microdureza Vickers e 11% na dureza por indentação instrumentada, por crescimento inicial de grãos de níquel sem precipitação de Ni₃P.

As outras classes de aderência da ASTM B733 também permanecem baixas. A Classe 4 é de 120 a 130 °C para aço cementado e alumínio envelhecido. A Classe 5 é de 140 a 150 °C para alumínio, ligas de alumínio que não são envelhecidas, cobre e ligas de cobre, e berílio. A Classe 6, o cozimento de aderência para ligas de titânio a 300 a 320 °C por 1 a 4 horas, fica dentro da faixa de endurecimento.

O endurecimento mantém em vigor os requisitos de fragilização de uma especificação. A especificação cancelada de 1990, MIL-C-26074E, exigia um cozimento de alívio para peças de aço das Classes 1 e 2 com Rockwell C40 ou acima, e um ensaio de carga sustentada para as peças da Classe 2 nessa faixa de dureza. Ela dizia que a dureza da Classe 2 pode ser obtida por aquecimento em até 4 horas após o revestimento. Se um único ciclo pode servir aos dois propósitos é uma questão para a especificação aplicável e para o comprador. Problemas de Aderência em Galvanoplastia trata de hidrogênio, tempo de cozimento e registros de cozimento pelo lado da aderência.

⚠️ O que um revestimento endurecido perde

Nos ensaios do artigo de 1983, o endurecimento reduziu a resistência à corrosão de um depósito. O artigo tratou termicamente esse depósito para representar tratamentos comerciais e o expôs a ácido clorídrico a 10% em temperatura ambiente.

O artigo de 1983 apresenta três razões. O Ni₃P retira fósforo da liga ao redor, e o material restante fica menos passivo. As partículas formam pequenas células ativo-passivas, pares locais de superfície mais ativa e mais passiva. O depósito também contrai ao endurecer, em até 4 a 6% em volume, o que eleva a tensão de tração ou reduz a tensão de compressão e pode trincar o revestimento até o substrato. Nesse mesmo ensaio ácido, o depósito corroeu a 15 µm por ano como depositado e a 900 a 1.900 µm por ano após os tratamentos de endurecimento. O artigo relatou uma redução semelhante em outros ambientes que ensaiou. Para os depósitos e os ambientes desses ensaios, o artigo desaconselha revestimentos endurecidos quando se exige resistência à corrosão.

O comportamento mecânico muda com o mesmo aquecimento. Nos ensaios do artigo de 1983, a exposição acima de 220 °C (420 °F) pode reduzir a resistência do revestimento em 80 a 90% e pode destruir sua ductilidade, sobretudo em depósitos de menor teor de fósforo. Um revestimento endurecido é mais duro e mais resistente ao desgaste, e também é mais frágil.

O tratamento térmico também muda a forma como o revestimento aparece para um medidor de espessura. A ASTM B733 não considera ferromagnéticos os revestimentos acima de 11,2% de fósforo. A especificação cancelada de 1990, MIL-C-26074E, aceitava a medição magnética de espessura sobre uma base magnética para revestimentos acima de 8% de fósforo. Ela declarava que o tratamento térmico aumenta o magnetismo do revestimento e que revestimentos tratados termicamente devem ser medidos com o instrumento calibrado contra padrões tratados termicamente ou folhas equivalentes. Ela não recomendava o método magnético abaixo de 8% de fósforo. Essa orientação magnética aparece nas notas não obrigatórias da especificação. Os dois documentos traçam o limite em teores de fósforo diferentes, então confira o documento aplicável antes de usar um medidor magnético em um depósito entre 8 e 11% de fósforo. Por Que a Espessura Calculada e a Espessura Medida de Eletrodeposição Diferem explica por que dois números de espessura podem divergir, e um revestimento tratado termicamente lido contra padrões como depositados é mais um caminho.

Estes números vêm de depósitos e séries de ensaio específicos. O teor de fósforo, os estabilizantes e as impurezas do banho, o substrato, a massa da peça e o método de ensaio deslocam esses números. Nos ensaios do artigo de 1983, chumbo, cádmio, estanho ou enxofre codepositados a partir de estabilizantes do banho podem importar mais para a resistência à corrosão do que o teor de fósforo. Os números mostram a direção e a ordem de grandeza de cada efeito. A qualificação de um processo real continua a ser feita contra a especificação aplicável.

🔍 Como se mede a dureza do revestimento de níquel químico?

A dureza do revestimento de níquel químico é medida por microindentação, e o resultado indica a escala e a carga. A ASTM B578 especifica a dureza Knoop (HK) a 25 gf ou 100 gf em uma seção transversal polida do revestimento, e a ASTM E384 abrange a microindentação Knoop e Vickers em geral. Uma indicação como 850 HK100 nomeia tanto a escala Knoop quanto a carga de 100 gf. Os números Knoop e Vickers do mesmo revestimento diferem. A especificação cancelada de 1990, MIL-C-26074E, deixou a expressão “equivalent Vickers” sem uma conversão declarada, então a base é acordada com o cliente antes de um resultado Vickers ser conferido contra um mínimo Knoop.

Um durômetro de bancada. Em um revestimento fino, a preparação, a posição da indentação e a carga decidem quanto da leitura vem do substrato.

A dureza Knoop é HK = 14.229 × F / d² e a dureza Vickers é HV = 1.854,4 × F / d², com a carga F em gf e a diagonal d em µm. O Rockwell C lê o aumento permanente de profundidade. A tabela transforma essas definições em tamanho de indentação. A carga de ensaio é uma das escolhas que limitam o quanto o substrato afeta a leitura.

Um ensaio Rockwell C em uma peça de 50 HRC deixa um aumento permanente de profundidade de cerca de 100 µm. A ASTM B733 especifica espessuras mínimas de 13 µm para serviço leve e 25 µm para serviço moderado, e mesmo o mínimo de 75 µm para serviço severo é mais fino do que essa profundidade. A leitura informa sobretudo o substrato. Os valores HRC citados para o níquel químico são conversões. O artigo de 1983 apresenta 48 a 52 HRC como aproximadamente equivalentes a 500 a 600 HV100.

Em uma seção transversal polida, a B578 posiciona a diagonal longa do Knoop paralela ao substrato. A preparação do corpo de prova, a posição da indentação e a carga de ensaio são o que limita a influência do substrato. Uma leitura na superfície de um revestimento fino pode incluir o substrato.

Os corpos de prova exigem o mesmo cuidado. A especificação cancelada de 1990, MIL-C-26074E, permitia corpos de prova separados de um material de base equivalente, revestidos com o lote e mantidos com ele até o fim do processamento, quando as próprias peças não se prestavam a um ensaio, e para a Classe 2 exigia um ensaio de dureza uma vez por mês em quatro peças ou quatro corpos de prova revestidos separadamente. Um corpo de prova só representa o lote se passou pelo mesmo forno, pela mesma carga e pelo mesmo tempo na temperatura que as peças.

📋 O que registrar com um lote tratado termicamente

Um resultado de dureza só pode ser interpretado junto com as condições que o produziram. A ASTM B733 exige que o banho de deposição seja monitorado periodicamente quanto a pH, temperatura, níquel e hipofosfito. Ela recomenda repor níquel e hipofosfito com frequência suficiente para permanecer entre 90 e 100% do ponto de ajuste, de modo que as propriedades do revestimento permaneçam consistentes. O artigo de 1983 atribui depósitos laminados a camadas de teor de fósforo diferente causadas por mudanças de pH ou de teor de estabilizante durante a deposição. Um resultado de tratamento térmico que varia de lote para lote pode começar no tanque, e O que são Rotações de Metal (MTO) na Galvanoplastia descreve como os subprodutos se acumulam à medida que um banho de níquel químico envelhece.

A especificação cancelada de 1990, MIL-C-26074E, exigia que peças de aço fossem ensaiadas quanto à dureza antes do revestimento. Reensaiar o substrato após o ciclo de endurecimento e comparar com esse número mostra se o ciclo amoleceu a peça.

Dica de implementação: Registre o cozimento de alívio e o ciclo de endurecimento como eventos separados, mesmo quando ocorrem no mesmo forno no mesmo dia.

❌ Erros comuns com níquel químico tratado termicamente

• Usar o cozimento de alívio de hidrogênio como o ciclo de endurecimento. A tabela de dureza mostra a pequena variação de HV100 após um cozimento a 190 °C.
• Cronometrar o ciclo a partir do controlador do forno. Uma peça pesada pode continuar aquecendo quando o relógio começa.
• Endurecer ao ar quando o pedido exige atmosfera protetora. A ASTM B733 recomenda vácuo ou uma atmosfera inerte ou redutora acima de 260 °C.
• Conferir a dureza do revestimento com Rockwell C na peça. O indentador vai muito mais fundo do que o revestimento.
• Endurecer um revestimento escolhido pela resistência à corrosão. A tabela de ácido clorídrico a 10% mostra essa perda para um depósito.
• Ler a espessura de um revestimento tratado termicamente contra padrões como depositados. O tratamento térmico torna o depósito mais magnético.

✅ Manter o registro do banho ao lado do registro do tratamento térmico

O Lab Wizard Cloud ajuda os fabricantes a monitorar e manter um registro consistente das condições que influenciam o desempenho do revestimento de níquel químico. Ele registra análises químicas datadas, incluindo titulações e concentrações calculadas, junto com adições químicas, alertas e uma trilha de auditoria. Outros parâmetros de processo e de qualidade, como temperatura, condições de tratamento térmico e dureza medida, também podem ser registrados manualmente ou por sinais integrados, e depois plotados e monitorados estatisticamente junto com a química do banho.

Quando um lote tratado termicamente não atinge a dureza especificada, ou um revestimento desenvolve problemas de corrosão, esses registros ajudam os engenheiros a comparar as condições do banho, as mudanças de processo e os resultados do tratamento térmico para identificar causas possíveis. Ao reunir essa informação em um histórico compartilhado de processo, o Lab Wizard Cloud apoia uma investigação mais consistente, decisões mais bem informadas e uma rastreabilidade mais forte contra as especificações aplicáveis.

Recursos relacionados

• Por Que a Espessura Calculada e a Espessura Medida de Eletrodeposição Diferem. O que um número de espessura representa, e por que ele não pode mostrar dureza.
• Problemas de Aderência em Galvanoplastia. Hidrogênio, registros de cozimento e tratamento térmico do substrato vistos pelo lado da aderência.
• O que são Rotações de Metal (MTO) na Galvanoplastia. Como a idade de um banho de níquel químico é acompanhada e por que os subprodutos alteram o depósito.

Links externos

• ASTM B733. Revestimentos autocatalíticos de níquel-fósforo: tipos pelo teor de fósforo, o mínimo da Classe 2 de 850 HK100, ciclos para dureza máxima, classes de aderência, tempo de alívio de hidrogênio e atmosfera de tratamento térmico.
• The Engineering Properties of Electroless Nickel Coatings. Artigo técnico (1980, revisado em 1983): mudanças estruturais no aquecimento, dureza após tratamento térmico, trocas entre tempo e temperatura, corrosão após o endurecimento, contração e magnetismo.
• Pedrizzetti et al., Materials 2024, 17(22), 5657. Desidrogenação a 200 °C e cristalização a 400 °C em um revestimento químico de Ni-P de alto fósforo, com difração de raios X e dureza por indentação.
• MIL-C-26074E, Coatings, Electroless Nickel (1990). Dureza e ciclo de aquecimento da Classe 2, cozimento de alívio, corpos de prova, métodos de ensaio de dureza e notas de espessura magnética.
• Aviso de cancelamento da MIL-DTL-26074F. Encaminha antigos usuários da MIL-C-26074E para a SAE AMS-C-26074.
• ASTM B578. Dureza por microindentação de revestimentos eletrodepositados com indentador Knoop.
• ASTM E384. Dureza por microindentação Knoop e Vickers de materiais.