Nitruración - Nitriding

Un moderno horno de nitruración computarizado

La nitruración es un proceso de tratamiento térmico que difunde nitrógeno en la superficie de un metal para crear una superficie cementada . Estos procesos se utilizan con mayor frecuencia en aceros de baja aleación. También se utilizan en titanio , aluminio y molibdeno .

Las aplicaciones típicas incluyen engranajes , cigüeñales , árboles de levas , seguidores de levas , piezas de válvulas , tornillos de extrusoras , herramientas de fundición a presión , matrices de forja , matrices de extrusión , componentes de armas de fuego, inyectores y herramientas de moldes de plástico .

Procesos

Los procesos llevan el nombre del medio utilizado para donar. Los tres métodos principales utilizados son: nitruración con gas , nitruración con baño de sal y nitruración con plasma .

Nitruración de gas

En la nitruración con gas, el donante es un gas rico en nitrógeno, generalmente amoníaco (NH 3 ), por lo que a veces se lo conoce como nitruración con amoníaco . Cuando el amoníaco entra en contacto con la pieza de trabajo calentada, se disocia en nitrógeno e hidrógeno. El nitrógeno luego se difunde sobre la superficie del material creando una capa de nitruro. Este proceso ha existido durante casi un siglo, aunque solo en las últimas décadas ha habido un esfuerzo concentrado para investigar la termodinámica y la cinética involucradas. Los desarrollos recientes han dado lugar a un proceso que se puede controlar con precisión. El espesor y la constitución de fase de las capas de nitruración resultantes se pueden seleccionar y el proceso se puede optimizar para las propiedades particulares requeridas.

Las ventajas de la nitruración con gas sobre otras variantes son:

  • Control preciso del potencial químico del nitrógeno en la atmósfera de nitruración mediante el control del caudal de gas de nitrógeno y oxígeno.
  • Efecto de nitruración general (puede ser una desventaja en algunos casos, en comparación con la nitruración por plasma)
  • Posibilidad de lotes de gran tamaño, siendo el factor limitante el tamaño del horno y el flujo de gas
  • Con el moderno control informático de la atmósfera, los resultados de la nitruración se pueden controlar de cerca.
  • Costo del equipo relativamente bajo, especialmente en comparación con el plasma.

Las desventajas de la nitruración con gas son:

  • Cinética de reacción fuertemente influenciada por el estado de la superficie: una superficie aceitosa o contaminada con fluidos de corte dará malos resultados
  • A veces se requiere la activación de la superficie para tratar aceros con un alto contenido de cromo; compare la pulverización catódica durante la nitruración por plasma
  • Amoníaco como medio de nitruración, aunque no es especialmente tóxico, puede ser dañino cuando se inhala en grandes cantidades. Además, se debe tener cuidado al calentar en presencia de oxígeno para reducir el riesgo de explosión.

Nitruración en baño de sal

En la nitruración en baño de sal, el medio donante de nitrógeno es una sal que contiene nitrógeno, como la sal de cianuro. Las sales utilizadas también donan carbono a la superficie de la pieza de trabajo, lo que convierte al baño de sal en un proceso de nitrocarburación. La temperatura utilizada es típica de todos los procesos de nitrocarburación: 550 a 570 ° C. Las ventajas de la nitruración con sal es que logra una mayor difusión en el mismo período de tiempo en comparación con cualquier otro método.

Las ventajas de la nitruración con sal son:

  • Tiempo de procesamiento rápido: generalmente del orden de 4 horas aproximadamente para lograr
  • Operación simple: caliente la sal y las piezas de trabajo a temperatura y sumerja hasta que haya transcurrido la duración.

Las desventajas son:

  • Las sales utilizadas son altamente tóxicas: la eliminación de sales está controlada por estrictas leyes ambientales en los países occidentales y ha aumentado los costos involucrados en el uso de baños de sal. Esta es una de las razones más importantes por las que el proceso ha caído en desgracia en las últimas décadas.
  • Solo es posible un proceso con un tipo de sal en particular: dado que el potencial de nitrógeno lo establece la sal, solo es posible un tipo de proceso

Nitruración por plasma

La nitruración por plasma, también conocida como nitruración de iones , nitruración de iones de plasma o nitruración por descarga luminiscente , es un tratamiento industrial de endurecimiento de superficies para materiales metálicos.

En la nitruración por plasma, la reactividad de los medios de nitruración no se debe a la temperatura sino al estado ionizado del gas. En esta técnica se utilizan campos eléctricos intensos para generar moléculas ionizadas del gas alrededor de la superficie a nitrurar. Este gas altamente activo con moléculas ionizadas se llama plasma , nombrando la técnica. El gas utilizado para la nitruración por plasma suele ser nitrógeno puro, ya que no se necesita una descomposición espontánea (como es el caso de la nitruración por gas con amoniaco). Hay plasmas calientes tipificados por chorros de plasma utilizados para corte, soldadura , revestimiento o pulverización de metales . También existen plasmas fríos, generalmente generados dentro de cámaras de vacío , a regímenes de baja presión .

Por lo general, los aceros se tratan beneficiosamente con nitruración por plasma. Este proceso permite el control estricto de la microestructura nitrurada, permitiendo la nitruración con o sin formación de capas de compuesto. No solo se mejora el rendimiento de las piezas metálicas, sino que también aumenta la vida útil de trabajo, al igual que el límite de deformación y la resistencia a la fatiga de los metales que se tratan. Por ejemplo, las propiedades mecánicas del acero inoxidable austenítico, como la resistencia al desgaste, pueden aumentarse significativamente y la dureza de la superficie de los aceros para herramientas se puede duplicar.

Una pieza nitrurada con plasma suele estar lista para su uso. No requiere mecanizado, pulido ni ninguna otra operación posterior a la nitruración. Por lo tanto, el proceso es fácil de usar, ahorra energía ya que funciona más rápido y causa poca o ninguna distorsión.

Este proceso fue inventado por el Dr. Bernhardt Berghaus de Alemania, quien más tarde se estableció en Zurich para escapar de la persecución nazi. Después de su muerte a fines de la década de 1960, el proceso fue adquirido por el grupo Klockner y popularizado a nivel mundial.

La nitruración por plasma a menudo se combina con el proceso de deposición física de vapor (PVD) y el tratamiento dúplex etiquetado, con mayores beneficios. Muchos usuarios prefieren tener una etapa de oxidación con plasma combinada en la última fase del procesamiento para producir una capa suave de óxidos de color negro azabache que es resistente al desgaste y la corrosión.

Dado que los iones de nitrógeno están disponibles por ionización, a diferencia del baño de gas o sal, la eficiencia de la nitruración por plasma no depende de la temperatura. Por tanto, la nitruración por plasma se puede realizar en un amplio intervalo de temperaturas, desde 260 ° C hasta más de 600 ° C. Por ejemplo, a temperaturas moderadas (como 420 ° C), los aceros inoxidables pueden nitrurarse sin la formación de precipitados de nitruro de cromo y, por lo tanto, manteniendo sus propiedades de resistencia a la corrosión.

En los procesos de nitruración por plasma, el gas nitrógeno (N 2 ) suele ser el gas portador de nitrógeno. También se utilizan otros gases como el hidrógeno o el argón. De hecho, argón y H 2 se pueden utilizar antes de que el proceso de nitruración durante el calentamiento de las piezas a limpiar las superficies a ser nitrurada. Este procedimiento de limpieza elimina eficazmente la capa de óxido de las superficies y puede eliminar las capas finas de solventes que podrían quedar. Esto también ayuda a la estabilidad térmica de la planta de plasma, ya que el calor agregado por el plasma ya está presente durante el calentamiento y, por lo tanto, una vez que se alcanza la temperatura del proceso, la nitruración real comienza con cambios menores de calentamiento. Para el proceso de nitruración H 2 también se añade gas para mantener la superficie clara de óxidos. Este efecto se puede observar analizando la superficie de la pieza bajo nitruración (ver por ejemplo).

Materiales para nitruración

Ejemplos de aceros fácilmente nitrurables incluyen las series SAE 4100 , 4300, 5100, 6100, 8600, 8700, 9300 y 9800, grados de acero de calidad aeronáutica del Reino Unido BS 4S 106, BS 3S 132, 905M39 (EN41B), aceros inoxidables, algunos aceros para herramientas ( H13 y P20, por ejemplo) y ciertos hierros fundidos. Idealmente, los aceros para nitruración deben estar en estado templado y revenido, requiriendo que la nitruración se realice a una temperatura más baja que la última temperatura de templado. Lo mejor es un acabado superficial torneado o pulido. Se deben eliminar cantidades mínimas de material después de la nitruración para preservar la dureza de la superficie.

Las aleaciones de nitruración son aceros aleados con elementos formadores de nitruros como aluminio, cromo , molibdeno y titanio.

En 2015, se utilizó la nitruración para generar una microestructura dúplex única en una aleación de hierro y manganeso ( martensita - austenita , austenita - ferrita ), conocida por estar asociada con propiedades mecánicas muy mejoradas.

Historia

La investigación sistemática sobre el efecto del nitrógeno en las propiedades superficiales del acero comenzó en la década de 1920. La investigación sobre la nitruración gaseosa comenzó de forma independiente tanto en Alemania como en Estados Unidos. El proceso fue recibido con entusiasmo en Alemania y se desarrollaron varios grados de acero pensando en la nitruración: los llamados aceros nitrurados. La recepción en Estados Unidos fue menos impresionante. Con tan poca demanda, el proceso fue olvidado en gran parte en los EE. UU. Después de la Segunda Guerra Mundial, el proceso se reintrodujo desde Europa. Se han realizado muchas investigaciones en las últimas décadas para comprender la termodinámica y la cinética de las reacciones involucradas.

Ver también

Referencias

Otras lecturas

enlaces externos


  1. ^ Pye, David. "La biblioteca de tratamiento térmico" . pye-d.com . Archivado desde el original el 11 de enero de 2017 . Consultado el 10 de enero de 2017 .