MICROESTRUCTURA Y APLICACIONES DE ACEROS INOXIDABLES
MARTENSÍTICOS TRATADOS POR NITRURACIÓN Y CEMENTACIÓN A PLASMA
CARLOS DANIEL PUCHE OJEDA
UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA FACULTAD DE INGENIERÍAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA MONTERÍA, CÓRDOBA
2021
MICROESTRUCTURA Y APLICACIONES DE ACEROS INOXIDABLES
MARTENSÍTICOS TRATADOS POR NITRURACIÓN Y CEMENTACIÓN A PLASMA
CARLOS DANIEL PUCHE OJEDA
Trabajo de grado presentado, en la modalidad de Monografía, como parte de los requisitos para optar al Título de ingeniero mecánico.
Director:
LUIS ARMANDO ESPITIA SANJUAN, PhD
UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA FACULTAD DE INGENIERÍAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA MONTERÍA, CÓRDOBA
2021
Nota de aceptación _______________________________
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Firma del jurado
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Firma del jurado
La responsabilidad ética, legal y científica, de las ideas, conceptos, y resultados del proyecto de investigación, serán responsabilidad de los autores.
Artículo 59, Acuerdo N° 022 del 21 de febrero de 2018 del Consejo Superior.
Tener en cuenta los Artículos y directrices establecidos en la Resolución 1775, del 21 de agosto de 2019. En donde se establecen las directrices y las políticas de funcionamiento del
repositorio institucional de la Universidad de Córdoba (Artículos tercero, octavo, once, entre otros).
“11 – BUENA FE: La universidad considera que la producción intelectual que, los profesores, funcionarios administrativos y estudiantes le presenten, es realizada por éstos, y
que no han transgredido los derechos de otras personas. En consecuencia, la aceptará, protegerá, publicará y explotará, según corresponda y lo considere pertinente”. Artículo 1,
Acuerdo N° 045 del 25 de mayo de 2018 del Consejo Superior.
TABLA DE CONTENIDO
RESUMEN ... 12
ABSTRACT ... 12
INTRODUCCIÓN ... 13
1.TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS ... 14
1.1 CEMENTACIÓN ... 15
1.1.1 Cementación Líquida ... 15
1.1.2 Cementación al vacío ... 16
1.1.3 Cementación gaseosa ... 16
1.1.4 Cementación por Paquete ... 17
1.1.5 Cementación a plasma ... 17
1.2 NITRURACIÓN ... 18
1.2.1 Nitruración Líquida ... 19
1.2.2 Nitruración gaseosa ... 19
1.2.3 Nitruración a plasma ... 19
2. CARACTERISTICAS DEL PROCESO DE DESCARGA LUMINISCENTE ... 21
2.1 CONCEPTO DEL PLASMA ... 21
2.2 DESCARGA LUMINISCENTE ... 22
3. ACEROS INOXIDABLES ... 24
4. FASES PRESENTES EN ACEROS NITRURADOS Y CEMENTADOS ... 28
4.1 RESULTADOS DE NITRURACIÓN Y CEMENTACIÓN POR PLASMA PARA
ACEROS INOXIDABLES MARTENSÍTICOS ... 28
4.2 MICROESTRUCTURA, CARACTERIZACIÓN Y APLICACIONES DE ACEROS INOXIDABLES MARTENSÍTICOS NITRURADOS POR PLASMA ... 29
4.3 MICROESTRUCTURA, CARACTERIZACIÓN Y APLICACIONES DE ACEROS INOXIDABLES MARTENSÍTICOS CEMENTADOS POR PLASMA ... 50
5. RESUMEN DE LOS RESULTADOS ... 62
CONCLUSIONES ... 63
REFERENCIAS ... 65
LISTADO DE TABLAS
Tabla 1. Composición Química de Algunos Aceros Inoxidables y valores de algunas
propiedades mecánicas ... 27
Tabla 2. Nitruros de Hierro en el diagrama binario Fe-N ... 33
Tabla 3. Nitruros de cromo ... 34
Tabla 4. Estudios de las propiedades en aceros inoxidables martensíticos ... 62
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Clasificación de los tratamientos termoquímicos en función de la profundidad de
capa para casos típicos de profundidad ... 14
Figura 2. Esquema de horno para cementación a plasma ... 18
Figura 3. Diagrama esquemático del montaje experimental de nitruración por plasma ... 20
Figura 4. Cortadora de engranajes durante la nitruración por plasma ... 21
Figura 5. Esquema de la descarga luminiscente ... 22
Figura 6. A la izquierda esquema de la nitruración a plasma con tela activa, a la derecha nitruración con tela activa para herramientas de perforación de la industria papelera ... 23
Figura 7. Fases encontradas luego del proceso de descarga luminiscente ... 28
Figura 8. Micrografía de la sección transversal de un acero inoxidable AISI 420 sin tratar y nitrurado por plasma a temperaturas de 390, 450 y 510 °C. ... 30
Figura 9. Patrones de difracción de rayos X del acero inoxidable AISI 420 sin tratar y nitrurado a diferentes temperaturas. ... 31
Figura 10. Diagrama de fases binário en equilíbrio Hierro - Nitrógeno Fe-N ... 32
Figura 11. Perfiles de dureza del acero inoxidable AISI 420 nitrurado a temperaturas de 390, 450 y 510 °C durante 4 h... 34
Figura 12. Micrografía de la sección transversal de un acero inoxidable AISI 630 nitrurado por plasma a una temperatura de 400 °C. ... 35
Figura 13. Patrones de difracción de rayos X del acero inoxidable AISI 630 sin tratar y nitrurado a una temperatura de 400°C. ... 36
Figura 14. Perfiles de dureza del acero inoxidable AISI 630 sin tratar y nitrurado a una
temperatura 400 °C durante 15 h. ... 37 Figura 15. Micrografía SEM del acero inoxidable martensítico AISI 410 nitrurado por plasma a una temperatura de 420 °C, preparado con Nital al 3%. ... 38 Figura 16. Patrones de difracción de rayos X del acero inoxidable AISI 410 sin tratar y
nitrurado a diferentes temperaturas. ... 39 Figura 17. Perfil de microdureza del acero inoxidable AISI 410 nitrurado a diferentes
temperaturas. ... 40 Figura 18. Análisis GDOES para un acero AISI 630 nitrurado a una temperatura de 400°C. 41 Figura 19. Análisis WDS para un acero AISI 410 nitrurado con tela activa a una temperatura de 400°C. ... 42 Figura 20. Coeficiente de fricción frente a la carga aplicada de del acero inoxidable AISI 410 no tratado y por plasma con arco pulsado de corriente continua a una temperatura de 400 °C ... 43 Figura 21. Curvas de polarización del acero 410 sin tratar y nitrurado por plasma en una solución de NaCl al 3,5%. ... 44 Figura 22. Morfologías superficiales de un acero inoxidable AISI 410 sin tratar y nitruradas tras los ensayos de corrosión en una solución de NaCl al 3,5 %. ... 45 Figura 23. Pérdida de peso por corrosión en especímenes no tratados y nitruradas por plasma en acero inoxidable 410 en una solución acuosa de HCl al 1% ... 46
Figura 24. Curvas de polarización del acero inoxidable AISI 420 sin tratar y nitrurado por plasma con arco pulsado de corriente continua y tela activa en una solución de NaCl al 3,5%.
... 47 Figura 25. Morfologías superficiales ópticas en acero inoxidable AISI 420 sin tratar y
nitrurado por plasma con arco pulsado de corriente continua y tela activa tras los ensayos de polarización ... 48 Figura 26. Variación del coeficiente de fricción vs tiempo de deslizamiento en un acero inoxidable AISI 420 sin tratar y nitrurado por plasma con arco pulsado de corriente continua ... 49 Figura 27. Micrografías de la sección transversal de un acero inoxidable AISI 420 cementado por plasma convencionalmente a una temperatura de 400 °C durante 36 y 48 horas. ... 51 Figura 28. Patrones de difracción de rayos X del acero inoxidable AISI 420 cementado por plasma convencionalmente a 400 °C durante 12, 24, 36 y 48 horas.. ... 52 Figura 29. Perfiles de microdureza Vickers del acero inoxidable acero inoxidable AISI 420 AISI 420 cementado por plasma convencionalmente a una temperatura de 400 °C durante 12, 24, 36 y 48 horas. ... 53 Figura 30. Patrones de difracción de rayos X del acero inoxidable AISI 410 cementado por plasma con arco pulsado de corriente continua, con tiempo de pulso fueron 10, 20 y 30 μs. . 54 Figura 31. Perfiles de dureza del acero inoxidable acero inoxidable AISI 410 cementado por plasma con arco pulsado de corriente continua, con tiempo de pulso fueron 10, 20 y 30 μs .. 55 Figura 32. Micrografías de la sección transversal de un acero inoxidable AISI 431 cementado por plasma convencionalmente a una temperatura de 400 °C. ... 56
Figura 33. Patrones de difracción de rayos X del acero inoxidable AISI 431 cementado por plasma convencionalmente a una temperatura de 400 °C durante 4, 8 y 16 horas. ... 57 Figura 34. Curvas típicas de carga-descarga de la matriz del acero y el espécimen cementado a 6 μm de distancia de la superficie. ... 58
Figura 35. Variación del coeficiente de fricción vs temperatura de cementación en
especímenes de acero inoxidable AISI 420 sin tratar y cementado convencionalmente ... 59 Figura 36. Curvas de polarización del acero inoxidable AISI 420 sin tratar y cementado convencionalmente en una solución de NaCl al 3,5% durante 12 horas ... 60 Figura 37. Morfologías superficiales de las muestras de acero inoxidable AISI 420 sin tratar y cementado convencionalmente tras los ensayos de polarización ... 61
RESUMEN
En la presente monografía se realiza un estudio comparativo sobre los cambios en la microestructura y las aplicaciones en ingeniería de aceros inoxidables martensíticos tratados por nitruración y cementación a plasma reportados en la literatura. Los cambios en la microestructura y en la composición química de los aceros a partir de estos tratamientos termoquímicos son discutidos a través de técnicas de caracterización de materiales, como son:
microscopia óptica, microscopía electrónica de barrido, difracción de rayos X, espectroscopía de emisión óptica de descarga luminiscente, entre otras. Se encontró que estos aceros inoxidables martensíticos nitrurados y cementados a plasma son empleados principalmente en aplicaciones de resistencia al desgaste y resistencia a corrosión.
Palabras Clave: Microestructura, Martensita Expandida, Cementación a Plasma, Nitruración a Plasma.
ABSTRACT
In this monograph, a comparative study regarding to the microstructural changes and engineering applications of martensitic stainless steels treated by nitriding and plasma carburizing reported in the literature is carried out. The changes in the microstructure and the chemical composition of the steels achieved by these thermochemical treatments are discussed by means of material characterization techniques, such as: optical microscopy, scanning electron microscopy, X-ray diffraction, optical emission spectroscopy of luminescent discharge, among others. It was found that these nitrided and carburized martensitic stainless steels are mainly used for wear resistance and corrosion resistance applications.
Keywords: Microstructure, Expanded Martensite, Plasma Carburizing, Plasma Nitriding
INTRODUCCIÓN
Elementos de máquinas como resortes, ejes, tornillos, engranajes, entre otros son utilizados en aplicaciones que demandan una combinación de propiedades específicas, las cuales muchas veces son contrarías entre sí, y en la mayoría de los casos no se pueden tener al mismo tiempo como, por ejemplo, dureza y tenacidad. A partir de este desafío han surgido varias técnicas que pueden ofrecer alternativas y soluciones, como es el caso de los tratamientos termoquímicos.
Estos procesos son utilizados para modificar microestructura y composición química en la superficie de las aleaciones; principalmente en aceros, lo que permite tener combinaciones deseadas de propiedades mecánicas.
Actualmente, existen dos tratamientos termoquímicos llamados nitruración y cementación por plasma en baja temperatura que a partir de difusión de átomos de nitrógeno y carbono respectivamente, forman en aceros inoxidables martensíticos una fase metaestable sobresaturada llamada martensita expandida. Los aceros inoxidables martensíticos son ampliamente utilizados en equipos y componentes donde se requiere resistencia al desgaste y a la corrosión, como en equipos quirúrgicos, bujes, válvulas y accesorios hidráulicos.
Es por esta razón, que en esta monografía se realiza un estudio comparativo sobre nitruración y cementación por plasma de aceros inoxidables martensíticos. El estudio es enfocado en la caracterización microestructural de las fases formadas por los tratamientos termoquímicos y su aplicación en áreas específicas de la ingeniería
1. TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS
Los tratamientos termoquímicos son procesos que modifican la microestructura y la composición química superficial de una pieza con el objeto de mejorar propiedades como resistencia a la corrosión, a la fatiga, al desgaste, entre otros (Belzunce, 2001).
Estos procesos se realizan mediante la difusión en estado sólido de átomos hacia el interior de una pieza desde diferentes medios que pueden estar en estado líquido, gaseoso, sólido o plasma, generando así una capa superficial rica en los átomos que difunden. (Czerwinski, 2012). Los tratamientos termoquímicos se pueden dividir en función de la profundidad la capa superficial, en tratamientos de capa delgada (espesores menores a 10 µm) o de capa pesada (sin límites), como se ilustra en la figura 1.
Figura 1. Clasificación de los tratamientos termoquímicos en función de la profundidad de capa para casos típicos de profundidad
Fuente: (Reardon, 2011)
A continuación, se tratarán los tratamientos termoquímicos de nitruración y cementación para endurecimiento superficial de aceros pertenecientes a los procesos de difusión sin límites, los cuales son el tema principal de este estudio. Para cada tratamiento se presentarán los medios por los cuales son realizados, algunas ventajas y aplicaciones.
1.1 CEMENTACIÓN
La cementación también llamada carburización, es la introducción de carbono por difusión en estado sólido desde el exterior hacia el interior de una aleación. Este proceso es ampliamente utilizado en aceros. En este proceso, el carbono entra por la superficie hacia el interior de la pieza generando capas superficiales ricas en carbono, con el objetivo de aumentar resistencia al desgaste y a la fatiga. Los aceros utilizados típicamente en los procesos de cementación suelen tener un contenido de carbono aproximado de 0,2 % en peso, y el contenido de carbono de la capa cementada se fija generalmente entre 0,8 y 1,0 % en peso. Esto no significa que no puedan emplearse aceros con valores diferentes a 0,2 % en peso. Los métodos de cementación incluyen la cementación por gas, al vacío, por plasma (iónica), por baño de sal y por paquete.
Sin embargo, la gran mayoría de las piezas cementadas se procesan utilizando gas natural, propano o butano. La cementación por vacío y por plasma son útiles debido a la ausencia de oxígeno en la atmósfera del horno. La cementación en baño de sal y en paquete tiene poca importancia comercial, pero aún se realiza ocasionalmente. (Davids, 2002). A continuación, se detallan estos procesos.
1.1.1 Cementación Líquida
La cementación líquida es un método para endurecer la superficie de una pieza de acero y se realiza colocando la pieza en un baño de cianuro fundido, de tal forma que el carbono difunde hacia adentro y produce una capa que es comparable a la del proceso de cementación por gas o
por paquete. Este tipo de proceso se diferencia de la cianuración por la composición química de la superficie endurecida, en el cianurado son más altas en nitrógeno y bajas en carbono. Este proceso es utilizado generalmente en piezas de tamaño pequeño y mediano, ya que las piezas de tamaños mayores son difíciles de procesar en baños de sal. (Pérez, 1996). Sin embargo, debido a los gastos y daños ocasionados al ambiente asociados a la eliminación de los baños de sal, especialmente los que contienen cianuro, limitan el uso de este proceso, aunque actualmente se han desarrollado sales que no contienen cianuro.
1.1.2 Cementación al vacío
La cementación al vacío o también llamada cementación a baja presión tuvo su primera aparición comercial en la década de 1970. El proceso, como su nombre indica, se lleva a cabo en un horno de vacío a presiones inferiores a la presión atmosférica normal utilizando metano (CH4) como gas de cementación. (Ullah, 2008). La cementación consta de 3 pasos: primero, las piezas se llevan a temperatura de austenización, luego se realiza un proceso de cementación, y finalmente alcanzado el perfil de carbono requerido, se enfrían. La ventaja del proceso se liga a la uniformidad que ofrece en hornos de vacío la reducción del tiempo de cementación.
Por lo regular, se aplica para aumentar la resistencia a fatiga en piezas sometidas a cargas dinámicas, pero el uso de este método es limitado por los costos de adquisición de equipos y su rendimiento (Totten & Dossett, 2013).
1.1.3 Cementación gaseosa
Este tipo de proceso es el más utilizado actualmente de todos los métodos de cementación debido a que los hornos son fiables y sencillo de usar (Rajan et al, 2011). En este tipo de tratamiento, se utiliza una atmosfera que normalmente es una mezcla de gases compuesta principalmente por monóxido de carbono (CO), hidrógeno(H2), nitrógeno (N2), además de
cantidades pequeñas de dióxido de carbono (CO2), vapor de agua (H2O) y metano (CH4), así como oxígeno (O2) (Mittemeijer & Somers, 2015).
1.1.4 Cementación por Paquete
La cementación por paquete también llamada cementación sólida; es un proceso en el que el monóxido de carbono derivado de un compuesto sólido se descompone en la superficie del acero en carbono (Totten & Dossett, 2013). Se realiza envolviendo la pieza en una caja y calentando un horno a hasta alcanzar la temperatura necesaria normalmente entre 900 y 950°C.
El uso de este método ha disminuido en los últimos años como consecuencia de las mejoras en procedimientos alternativos como la cementación a gas, combinados con las limitaciones del proceso que hacen difícil su uso, sin embargo, aún se puede encontrar en pequeños talleres debido a que los requerimientos de espacio son mínimos.
1.1.5 Cementación a plasma
A pesar de que la cementación por plasma ya era conocida, solo en la década de 1970 es aplicada para sustituir la cementación tradicional (Xu & Xiong, 2017). El proceso de cementación por plasma consiste en la introducción de iones portadores en la superficie del acero para su posterior difusión. Este proceso es realizado al vacío y se utiliza una diferencia de potencial aplicada entre las piezas a tratar y la pared de un horno, donde se producen especies gaseosas activas e ionizadas las cuales son las responsables de la transferencia de carbono hacia la pieza (Totten & Dossett, 2013). La figura 2 muestra un esquema del proceso.
Figura 2. Esquema de horno para cementación a plasma
Fuente: (Totten & Dossett, 2013)
1.2 NITRURACIÓN
Similarmente a la cementación, la nitruración es un proceso en el cual se altera la composición de la superficie de la pieza mediante nitrógeno atómico. (American Society of Materials, 1992).
Los procesos de nitruración proporcionan una excelente protección contra la corrosión, el desgaste y permiten mejorar las características dinámicas de los componentes fabricados con materiales ferrosos. Los aceros típicamente nitrurados son aceros de medio carbono que poseen elementos aleantes como aluminio, cromo, vanadio y molibdeno que facilitan la formación nitruros. (Reardon, 2011). Esto no significa que no se puedan utilizar otro tipo de aceros. Los métodos de nitruración incluyen la nitruración por gas, por plasma (iónica) y líquida. Estos métodos introducen el nitrógeno mediante el uso de una atmósfera (gas atmosférico, plasma), o por un baño de sal. A continuación, se detallan estos procesos.
1.2.1 Nitruración Líquida
Este proceso consiste en un baño de sal fundida que contiene cianuros o cianatos. La temperatura de trabajo es baja por lo que la difusión del nitrógeno es mucho más rápida que la del carbono, por lo que no ocurre cementación. De manera similar al igual que la cementación en baño de sales, la nitruración líquida ofrece la ventaja de procesar piezas acabadas porque se puede mantener las dimensiones originales debido a las temperaturas subcríticas utilizadas en el proceso. (Aghajani y Behrangi, 2017). Este tipo de proceso se utiliza para mejorar propiedades como resistencia al desgaste aumentar el límite de resistencia a la fatiga y en algunos casos mejora la resistencia a corrosión (American Society of Materials, 1992).
1.2.2 Nitruración gaseosa
La nitruración gaseosa es un proceso de endurecimiento superficial en el cual una aleación se calienta en una atmosfera de amoniaco durante un tiempo prologando, durante este tiempo el nitrógeno gaseoso se disocia formando nitrógeno atómico el cual se difunde en la aleación formando nitruros, los cuales aumentan las propiedades de dureza y de resistencia al desgaste de la capa formada (Prabhudeva, 1988) (Cordova, 2003).
1.2.3 Nitruración a plasma
En la década de 1930, Berghaus fue la primera persona en usar el fenómeno de la descarga, inventando así la tecnología de nitruración por plasma. (Xu y Xiong, 2017). La nitruración por plasma consiste en la introducción de nitrógeno elemental en la superficie de la pieza para su posterior difusión. La energía eléctrica de alto voltaje forma un plasma a través de los átomos, luego estos son acelerados para incidir en la pieza la cual se está trabajando. El bombardeo de iones calienta la pieza, limpia la superficie y proporciona nitrógeno activo; a continuación, en la figura 3 se muestra un esquema de este proceso (Aghajani y Behrangi, 2017).
Figura 3. Diagrama esquemático del montaje experimental de nitruración por plasma
Fuente: (Xu y Xiong, 2017)
La gran mejora de las propiedades que aporta la nitruración por plasma permite utilizar materiales económicamente viables y con menores contenidos de elementos aleantes, además de esto, una ventaja importante es que el proceso puede preajustarse y precisarse dentro del gran número de parámetros del tratamiento, lo que hace posible la producción de estructuras específicas con propiedades que no se encuentran en los aceros nitrurados normales (Prabhudeva, 1988). En la figura 4 se muestra un ejemplo del proceso.
Figura 4. Cortadora de engranajes durante la nitruración por plasma
Fuente: (Erkens et al,2010)
Adicionalmente a estos tratamientos termoquímicos, la literatura también reporta procesos de difusión similares que utilizan otros elementos como lo son el cromo, boro y sulfuro; estos son llamados sulfuración, cromado, bororización y cianuración.
2. CARACTERISTICAS DEL PROCESO DE DESCARGA LUMINISCENTE 2.1 CONCEPTO DEL PLASMA
El plasma es denominado como el cuarto estado de la materia, se dice que es un medio gaseoso ionizado, compuesto por electrones, iones positivos y átomos neutros. El número de cargas positivas y negativas es igual por lo que el plasma es eléctricamente neutro. Ahora bien, la temperatura de los electrones es una de las características más importantes durante el proceso debido a que divide el proceso en dos, si la temperatura de los electrones y los iones es igual se denominará “plasma en alta temperatura” y de ser diferentes se denominará “plasma en baja temperatura” (Xu & Xiong, 2017).
2.2 DESCARGA LUMINISCENTE
Los procesos de nitruración y cementación por plasma como se mencionó anteriormente se basan en el fenómeno de descarga luminiscente, donde la corriente fluye entre dos electrodos (cátodo y ánodo) en un entorno gaseoso sellado. El gas que está dentro del tubo actúa como conductor eléctrico y lleva la corriente de un lado a otro como si fuera un cable eléctrico tal como se muestra en la figura 5.
Figura 5. Esquema de la descarga luminiscente
Fuente: (Chapman, 1980)
Los átomos gaseosos son excitados y finalmente chocan entre sí rompiendo sus enlaces primarios liberando energía que produce luz visible, de allí el nombre “descarga luminiscente”. El color que se observa del resplandor depende del gas que se utiliza (Davids 2002; Hosmani et al 2014).
Los procesos de descarga luminiscente inicialmente se realizaban con corriente continua, hecho que traía consigo problemas como calentamiento no uniforme y generación de descargas eléctricas. Estos problemas se resolvieron gracias a la utilización de corriente continua de arco pulsado (Pye, 2003).
Esta tecnología funciona con generadores de corriente de pulso que producen ciclos de trabajo que varían la duración del pulso, por tanto, se aumenta el control de las variables de proceso y reduce significativamente la generación de arcos eléctricos y el sobrecalentamiento. (Mittemeijer y J Somers, 2015). Si bien es cierto que la nitruración y cementación por plasma son procesos que tienen muchas más ventajas que los métodos tradicionales, en algunos casos cuando se tienen piezas pequeñas o de geometrías complejas se pueden presentar algunas limitantes conocidas como el efecto de borde y el efecto de cátodo hueco. Este problema se origina por el insuficiente espacio entre las piezas que se están trabajando, lo que trae como consecuencia un sobrecalentamiento, concentración del plasma en los bordes y variaciones en la profundidad de penetración.
Para solucionar este problema se presenta un nuevo método conocido como pantalla activa o jaula catódica tal como se muestra en la figura 6.
Figura 6. A la izquierda esquema de la nitruración a plasma con tela activa, a la derecha nitruración con tela activa para herramientas de perforación de la industria papelera
Fuente: (Mittemeijer y J Somers, 2015;Aghajani y Behrangi 2017)
Este método consiste en una jaula metálica que hace las veces de cátodo y que rodea las piezas a ser tratadas, por lo tanto, el plasma se produce en la jaula y no directamente en las piezas, lo
que conlleva a la reducción de daños por arco en la superficie de las piezas, eliminación del efecto de borde, mejor control en la temperatura y uniformidad en el espesor de la capa nitrurada. (Aghajani y Behrangi, 2017).
3. ACEROS INOXIDABLES
Los aceros inoxidables constituyen un grupo de aceros altamente aleados los cuales se desarrollaron a principios del siglo XIX, siendo fabricados en un horno eléctrico o por el proceso básico de oxígeno; estos fueron presentado por primera vez por Strauss y Maurer, de Krupp, dando una respuesta al proceso de corrosión atmosférica que resultaban perjudiciales para aceros convencionales y otras aleaciones metálicas (Gómez y Martin 2012; Blaszques et al 2014).
Este tipo de aceros es utilizado por su principal constituyente “el cromo” el cual corresponde de al menos un 12% en peso. Este elemento químico tiene gran afinidad con el oxígeno, de esta manera cuando reacciona, forman una capa de óxido con espesores del orden de los nanómetros en la superficie de la pieza a través del proceso llamado pasivación. (Belzunce 2001; Smitch y Hashemi 2019). Además de la resistencia a corrosión, los aceros inoxidables se distinguen de otros por su ductilidad y resistencia, propiedades buscadas en diferentes aplicaciones. De igual manera, por los elementos aleantes que constituyen a estos aceros son relativamente mucho más caros que los aceros convencionales (Groover, 2019). En general muchos autores dan cinco clasificaciones principales para los aceros inoxidables los cuales son: austeníticos, ferríticos, martensíticos, dúplex y endurecidos por precipitación.
Los aceros inoxidables austeníticos son aquellos que a temperatura ambiente mantienen la fase austenita con estructura cúbica centrada en las caras (FCC) y tienen adiciones de cromo de 10,5 – 26 % en peso, manganeso de 1 a 2 % en peso y níquel de 6 a22 % en peso, este último
es un elemento gamágeno el cual es el responsable del amplio rango de temperatura de la austenita. No poseen propiedades magnéticas, presentan gran capacidad para la deformación y tienen la más alta resistencia a corrosión de todos los aceros inoxidables, sin embargo, ofrecen baja resistencia mecánica en comparación con los otros aceros inoxidables. Finalmente, tienen aplicaciones ingenieriles como equipos de cocina, partes de hornos, componentes de equipos químicos severos, entre otros (Belzunce 2001; Askeland y Wright, 2016; Shackelford, 2016).
Los aceros inoxidables martensíticos presentan un contenido de cromo entre un 12 y 17 % en peso, no poseen níquel y carbono entre 0,15 y 1% en peso. La proporción de cromo-carbono es ajustada de tal forma que pueden alcanzar la fase austenítica en calentamiento para posteriormente mediante un enfriamiento rápido se pueda producir martensita, fase que permanece a temperatura ambiente. (Smitch y Hashemi, 2019). Estos aceros tienen propiedades magnéticas, alta resistencia mecánica, dureza y resistencia a la fatiga. Su resistencia a corrosión es moderada e inferior a la de los aceros austeníticos y ferríticos debido a la casi o nula cantidad de níquel y otros elementos aleantes en la composición, sin embargo, al no poseerlos los hacen económicamente viables en aplicaciones donde se requiera resistencia a corrosión y a resistencia a la fluencia. Al añadir algo de níquel y reducir el contenido de carbono de estos aceros se puede mejorar su soldabilidad (Warlimont y Martienssen 2018; Radhakanta 2021).
Las aplicaciones típicas donde se suelen utilizar son en los álabes de turbinas de vapor y gas y en motores a reacción, como también en calderas, tuberías y válvulas para la generación de energía, en industrias químicas y petroleras, y aplicaciones médicas como instrumentos quirúrgicos o instrumentos de corte (Kalpakijan & Schmid, 2014).
Los aceros inoxidables ferríticos Son llamados así porque su fase estable a temperatura ambiente es la ferrita α con una estructura cúbica en el cuerpo (BCC). Este tipo de aceros puede
alcanzar valores de cromo del orden del 30 % en peso; también contienen cantidades pequeñas de elementos de aleación como molibdeno, níquel, titanio y niobio. Al igual que los aceros austeníticos poseen buena resistencia a corrosión, pero se diferencia por sus altas propiedades magnéticas y una ductilidad mucho más baja, además, no son endurecibles por tratamientos térmicos. Son utilizados típicamente en la fabricación de equipos de cocina y guardafangos automovilísticos (Mangonon 2011; Gómez y Martin 2012; Askeland y Wright 2016).
Los aceros endurecidos por precipitación tienen contenidos de cromo y níquel aproximados de17 y 7 % en peso, además, poseen en pequeñas cantidades elementos de aleación como aluminio, molibdeno y niobio. Esté acero se diferencia del resto de los aceros inoxidables debido a que puede fortalecerse por medio de endurecimiento por solución sólida, endurecimiento por precipitación, endurecimiento por envejecido y por temple. Se utilizan en aplicaciones estructurales donde se necesite alta resistencia mecánica y buena resistencia a corrosión (Shackelford 2016; Askeland y Wright, 2016; Groover 2019).
Los aceros inoxidables austenoferríticos poseen una mezcla de austenita y ferrita en proporciones iguales a temperatura ambiente. Esta combinación trae como consecuencia una combinación de propiedades mecánicas, resistencia a la corrosión, capacidad para la conformación y de soldadura que no se obtiene en los otros aceros inoxidables. Estos aceros presentan cromo hasta 22 % en peso y níquel hasta 5 % en peso. Es común su uso en ambientes acuosos que contienen cloruros o aplicaciones en los cuales puedan presentarse agrietamientos o picaduras por corrosión (Mangonon 2011; Askeland y Wright 2016).
La tabla 1 que se muestra a continuación muestra algunos aceros inoxidables seleccionados, especificando su composición química y valores de algunas propiedades mecánicas.
Tabla 1. Composición Química de Algunos Aceros Inoxidables y valores de algunas propiedades mecánicas
Fuente: (Askeland y Wright 2016; Groover 2019)
Análisis Químico, % Resistencia a la
Tensión Tipo
AISI Fe Cr Ni C Mn otro MPa % de
Elongación Austeníticos
304 68 19 9 0.08 2 515 40
316 65 17 12 0.08 2 2.5 Mo 40
Ferríticos
405 85 13 0.08 1 415 20
430 81 17 0.12 1 515 20
Martensíticos
403 86 12 0.15 1 485 20
403b 86 12 0.15 1 825 12
416 85 13 0.15 1 485 20
416b 85 13 0.15 1 965 10
440 81 17 0.65 1 725 20
4040b 81 17 0.65 1 1790 5
Endurecidos por precipitación
17-4 17 4 0.07 0.4 Nb 1310 10
17-7 17 7 0.09 1.0 Al 1585 6
4. FASES PRESENTES EN ACEROS NITRURADOS Y CEMENTADOS
Las superficies nitruradas o cementadas en aceros se componen generalmente de dos partes distintas, como se muestra en la figura 7. La primera es llamada la capa compuesta o de compuestos constituidas por nitruros y carburos y debajo de ella se encuentra una capa conocida como capa de difusión. Es importante resaltar que la existencia de estas capas y su composición química dependen significativamente de los elementos aleantes presentes en los aceros y de los parámetros y temperaturas utilizadas en el proceso de nitruración (Erkens, y otros, 2010).
Figura 7. Fases encontradas luego del proceso de descarga luminiscente
Fuente: (Erkens, y otros, 2010)
4.1 RESULTADOS DE NITRURACIÓN Y CEMENTACIÓN POR PLASMA PARA ACEROS INOXIDABLES MARTENSÍTICOS
En los últimos años diferentes investigadores han realizado tratamientos termoquímicos por plasma con diferentes técnicas en aceros inoxidables; estos han reportado mejoras notables donde existen requerimientos de altas propiedades de resistencia a la fricción, a la fatiga y la
dureza. En el caso específico de que el proceso se realice por descarga luminiscente a baja temperatura, esto tendrá como consecuencia fases expandidas (Abdelrahman y Tatsuhiko 2017;
Kovacı y Seçer, 2020).
La primera vez que se reportó una fase expandida nitrogenada fue en 1985 por Zhang y Bell.
Los autores reportaron una fase S producida también conocida como austenita expandida en el acero inoxidable austenitico AISI 316, donde se nitruró por plasma a una temperatura de 400
°C. Zhang y Bell describen la fase como dura (700 HV0.05) y resistente a la corrosión (Buhagiar, 2010).
En el caso de los aceros inoxidables martensíticos se habla de martensita expandida reportada en el 2003 por Kim y otros investigadores en el acero inoxidable AISI 420 nitrurado por plasma a 400 °C y es descrita como una fase con valores de dureza de hasta 18 GPa (KIM et al, 2003).
A continuación, se presentan reportes de microestructura y técnicas de caracterización de distintos autores para tratamientos termoquímicos de nitruración por plasma en aceros inoxidables martensíticos.
4.2 MICROESTRUCTURA, CARACTERIZACIÓN Y APLICACIONES DE ACEROS INOXIDABLES MARTENSÍTICOS NITRURADOS POR PLASMA
Hongyu y Liang (2020), estudiaron la microestructura de un acero AISI 420 nitrurado a plasma convencionalmente en una atmósfera de amoniaco, a una presión de 450 Pa y en un rango de temperaturas de 390 a 510 °C durante 4 horas. La figura 8 muestra la microestructura de la sección transversal de los especímenes sin tratar y nitrurados bajo diferentes temperaturas utilizadas en el estudio.
Figura 8. Micrografía de la sección transversal de un acero inoxidable AISI 420 sin tratar y nitrurado por plasma a temperaturas de 390, 450 y 510 °C.
Fuente: (Hongyu y Liang, 2020)
Se puede observar la formación de una capa blanca, en la cual existe una relación lineal aproximada entre su espesor y la temperatura de nitruración. Los espesores de capa fueron aproximadamente 6, 24 y 40 μm para los especímenes nitrurados a 390, 450 y 510 °C respectivamente. Evidentemente la temperatura de nitruración desempeñó un papel crucial en el aumento de la profundidad de la zona endurecida.
Los autores utilizaron Difracción de rayos X (DRX) con la configuración Bragg-Brentano para identificar las fases presentes en los especímenes. El difractograma resultante se muestra en la figura 9
Figura 9. Patrones de difracción de rayos X del acero inoxidable AISI 420 sin tratar y nitrurado a diferentes temperaturas.
Fuente: (Hongyu y Liang, 2020)
Se puede notar que el espécimen no tratado evidenció solamente los picos característicos de la martensita, sin embargo, para el proceso de nitruración a 390 °C se reportó la aparición de nuevos picos ubicados a la izquierda de los picos iniciales de martensita referenciados como αN
y de otros picos correspondientes al nitruro ε. Se puede observar también que, con el aumento en la temperatura de nitruración, además de estos picos aparecen otros picos correspondientes al nitruro γ' y al nitruro de cromo CrN. Los autores concluyeron que los picos llamados αN corresponden a martensita expandida, producto de la sobresaturación del nitrógeno en los intersticios del acero lo que ocasiona un aumento en el parámetro de red de la martensita.
(Umemuraa et al, 2019). Para lograr entender las fases que pueden presentarse durante la nitruración a plasma se puede evaluar el diagrama de fases binario en equilibrio hierro – nitrógeno que se muestra en la figura 10.
Figura 10. Diagrama de fases binário en equilíbrio Hierro - Nitrógeno Fe-N
Fuente: (Berns et al, 2013)
En el anterior diagrama de fases binário se puede observar diferentes nitruros de hierro tales como γ' (Fe4N), ε(Fe2-3N) y ξ(Fe2N). Además de formarse precipitados de ferrita α. Según el diagrama binario de Fe-N la solubilidad del nitrógeno de la ferrita y la austenita varía según la
temperatura, donde la solubilidad máxima del nitrógeno en la ferrita es del 0,10 % en peso a una temperatura de 590 °C y en la austenita es del 2,8% en peso a una temperatura de 650 °C.
El primer nitruro que aparece y’ con un contenido de nitrógeno del 5,8 % posee una estructura cúbica centrada en las caras (CC). En el caso de la fase ε posee una estructura cristalina hexagonal compacta (HC) corresponde a una solución sólida intersticial. A una temperatura de 650 °C y una concentración de 4.5 % esta fase sufre una transformación eutectoide en fases y y γ'’. Finalmente, antes de que el nitruro ε alcance la composición ideal, se produce un cambio de fase al nitruro ξ, el cual tiene una estructura tipo ortorrómbica (Cordova 2003; Espitia 2015).
En la tabla 2 se presenta un resumen de las características de las fases presenten durante la nitruración. Es importante recordar que las fases expandidas no aparecen en este diagrama de fases en equilibrio por ser fases metaestables.
Tabla 2. Nitruros de Hierro en el diagrama binario Fe-N Fuente: (Espitia, 2015)
Fase Composición N% en masa
Estructura cristalina
Parámetro de red(nm)
Ferrita 𝛼 Fe 0,10 CCC a, 2,8664
Austenita y Fe 2,8 CFC a, 3,572 + 0,0078(%
de N)
𝛼’’ Fe16N12 3,0 TCC a, 5,72
c/a 1,10
y’ Fe4N 5,9 CFC c/a, 3,795
a, 2,764 (Para 35%
de nitrógeno)
ε Fe2N1-x 4,5-11 HC c/a 1,599
a, 1,10
ξ Fe2N 11,14 Ortorrómbico b, 4,480
C4,425
Además de los nitruros de hierro mencionados anteriormente, también es posible encontrar nitruros de cromo CrN y Cr2N. En la tabla 3 se muestran algunas características de estos.
Tabla 3. Nitruros de cromo Fuente: (Espitia, 2015)
Nitruro de cromo Estructura cristalina Parámetro de red(nm)
Gama de temperatura
CrN CFC a, 1, 4,410
Cr2N Trigonal a, 4,750 – 4,796
c, 4,429 – 4,470
550-1000
Finalmente, los autores también realizaron mediciones de microdureza Vickers en función de la profundidad con una carga de 50 gf, como se muestra en la figura 11.
Figura 11. Perfiles de dureza del acero inoxidable AISI 420 nitrurado a temperaturas de 390, 450 y 510 °C durante 4 h.
Fuente: (Hongyu y Liang, 2020)
En la figura 11 se observa un aumento de la dureza considerable en los especímenes nitrurados, debido a la formación de nitruros y el aumento del espesor de la capa superficial. Los valores obtenidos fueron de 235 ± 25, 650 ± 62, 720 ± 70, 1000 ± 68, 1100, 1250 ± 72 HV0.05, para los especímenes no tratados y nitrurados a 390, 420, 450, 480 y 510 °C, respectivamente.
Similarmente, (Insup, 2017) estudió la microestructura de un acero AISI 630 nitrurado a plasma convencionalmente en una mezcla de gases de 25% N2 y 75% H2, a una presión de 532 Pa y una temperatura de 400°C, durante de 15 horas. Luego del proceso de nitruración observó la formación de una capa blanca típica, con un espesor medio de 16 μm como se muestra en la figura 12.
Figura 12. Micrografía de la sección transversal de un acero inoxidable AISI 630 nitrurado por plasma a una temperatura de 400 °C.
Fuente: (Insup , 2017)
Los resultados de DRX con la configuración Bragg-Brentano para identificar las fases presentes en los especímenes se muestra en la figura 13.
Figura 13. Patrones de difracción de rayos X del acero inoxidable AISI 630 sin tratar y nitrurado a una temperatura de 400°C.
Fuente: (Insup, 2017)
Se observa que en el espécimen no tratado solamente se detectan picos de martensita. Después del proceso de nitruración, se observa un desplazamiento de los picos hacia la izquierda de unos 45° a unos 43° respectivamente; se sabe que los desplazamientos a la izquierda son producto del aumento del parámetro de red, lo que confirma la existencia de αN (Espitia et al, 2017). No se detectaron nitruros de hierro en este trabajo, en cambio se detectó la presencia de un pico de un nitruro de cromo Cr2N en torno a los 45 grados que no se formó durante la nitruración convencional del acero AISI 420 articulo tratado anteriormente. Los resultados de microdureza Vickers registran un aumento considerable alrededor de tres veces más en comparación con el espécimen no tratado, alrededor de los 1250, debido a la formación de nitruros y el aumento del espesor de la capa superficial nitrurada como se muestra en la figura 14.
Figura 14. Perfiles de dureza del acero inoxidable AISI 630 sin tratar y nitrurado a una temperatura 400 °C durante 15 h.
Fuente: (Insup, 2017)
Li y Bell (2006) estudiaron la microestructura de un acero AISI 410 nitrurado a plasma convencionalmente en una mezcla de gases de 25% N2 y 75% H2, a una presión de 500 Pa y a temperaturas de 420, 460 y 510 °C durante 20 horas. La figura 15 muestra la sección transversal del espécimen nitrurado a 420 °C, tomada mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) con el detector de electrones retrodispersados.
Figura 15. Micrografía SEM del acero inoxidable martensítico AISI 410 nitrurado por plasma a una temperatura de 420 °C, preparado con Nital al 3%.
Fuente: (Li y Bell, 2006)
En la figura 15 se puede observar las características de la microestructura y la variación de la composición de la superficie nitrurada. Se puede observar la formación de una capa compuesta y un claro límite con la zona de difusión, capa que no se reporta en artículos anteriores. El espesor medio de la capa compuesta medido fue de 47, 86 y 135 μm para las muestras nitruradas a 420, 460 y 500 °C. El difractograma resultante con la configuración Bragg Brentano se muestra en la figura 16.
Figura 16. Patrones de difracción de rayos X del acero inoxidable AISI 410 sin tratar y nitrurado a diferentes temperaturas.
Fuente: (Li y Bell, 2006)
En la figura 16 se puede observar que luego del proceso de nitruración a una temperatura de 420 °C se reporta la formación de picos hexagonales del nitruro ε con intensidades mucho más altas que cualquier otra fase en la capa compuesta. También se reportan la formación de picos amplios y de baja intensidad en torno a 45-50 ° correspondiente a solo martensita y la formación de pequeños picos del nitruro γ'. Finalmente se observa la formación de un pico a la izquierda del plano (1 0 1) el cual está relacionado con la fase αN, donde el nitrógeno expandió la estructura reticular de la martensita y desplazó el pico a un ángulo de dirección más bajo. A medida que la temperatura aumenta los picos del nitruro ε se ven reducidos y la capa compuesta comienza a ser dominada por el nitruro γ'. En el caso de los especímenes nitrurado a 460 y 500
°C se comienza a observar la formación de precipitados estequiométricos de nitruros de cromo CrN, que comienzan a superponerse a la fase αN. Igualmente se realizó un ensayo de microdureza Vickers en función de la profundidad con una carga de 1 kgf, como se muestra en la figura 17.
Figura 17. Perfil de microdureza del acero inoxidable AISI 410 nitrurado a diferentes temperaturas.
Fuente: (Li y Bell, 2006)
Se puede evidenciar que la temperatura desempeña un papel crucial en el aumento de la dureza de la capa superficial. Los valores obtenidos fueron de 262, 1210, 1204, 1113 HV1.0, para los especímenes no tratados y nitrurados a 420, 460 y 500 °C respectivamente. Además, también se reportan valores menores medidos en el sustrato en la capa de difusión de 300 HK0.1 lo que sugiere que el endurecimiento en la zona de difusión fue pequeño.
Hasta el momento se han mostrado resultados referentes a las características microestructurales y las fases presentes luego del proceso de nitruración, sin embargo, no se ha discutido las características de la martensita expandida.
(Insup, 2017) realizó un ensayo de espectrometría de emisión de descarga luminosa (GDOES) empleada para determinar de manera cuantitativa la concentración de los elementos en la profundidad de la capa nitrurada de un acero AISI 630 nitrurada, estos resultados se ilustran en la figura 18.
Figura 18. Análisis GDOES para un acero AISI 630 nitrurado a una temperatura de 400°C.
Fuente: (Insup, 2017)
Se reporta que el contenido de nitrógeno es muy alto en la capa superficial de la pieza, del orden del 14 % en peso, y disminuye gradualmente con el aumento en la profundidad.
Similarmente (Espitia, 2015) también realizo un proceso de nitruración en un acero inoxidable AISI 410 con tela activa en una mezcla de gases de 75% de N2 y 25% de H2 a y a temperaturas de 400°C durante 20 horas. Reporta que el contenido de nitrógeno disminuyó de un 4 % en peso
a 2 μm por debajo de la superficie hasta un 0,1 % en peso a unos 27 μm de profundidad, acorde a lo mostrado en la figura 19.
Figura 19. Análisis WDS para un acero AISI 410 nitrurado con tela activa a una temperatura de 400°C.
Fuente: (Espitia, 2015)
Los contenidos de nitrógeno reportados por (Insup, 2017) y (Espitia, 2015) oscilan entre 4 y 13 % en peso, valores muchos mayores que el 0,10 % reportado para la ferrita, fase de los aceros con estructura BCC, igual al de la martensita de bajo carbono.
Por otro lado, se reporta en la literatura aplicaciones de resistencia al desgaste y resistencia a corrosión para aceros inoxidables martensíticos nitrurados plasma como es el caso de Corengia et al, 2005 estudiaron la microestructura de un acero AISI 410 nitrurado a plasma con arco pulsado de corriente continua en una mezcla de gases de 75% N2 y 25% H2, a una presión de 600 Pa y a una temperatura de 400 °C durante 20 horas. A continuación, se observa el coeficiente de fricción medido de muestras tratadas y no tratadas mediante una máquina de
ensayos del tipo Amsler, donde la condición de contacto elegida fue rodadura-deslizamiento y la velocidad de la rueda inferior era Vb = 220 rpm y la superior superior Vt = 200 rpm respectivamente Los ensayos de contacto se realizaron en seco a temperatura ambiente con cargas normales de 490, 1226 y 1961 N. Los resultados se muestran en la figura 20.
Figura 20. Coeficiente de fricción frente a la carga aplicada de del acero inoxidable AISI 410 no tratado y por plasma con arco pulsado de corriente continua a una temperatura de
400 °C
Fuente: (Corengia et al, 2005)
Se reporta que los coeficientes de fricción de los especímenes nitrurados se caracterizaron por ser siempre inferior al mostrado por la muestra sin tratar. En los tratados se presentaron dos regiones, la primera caracterizada por una zona muy estable y suave y la segunda la cual apareció después de una distancia de deslizamiento crítica de 525 m, donde se evidenciaron fluctuaciones que conducen a valores muy dispersos entre 0,45 y 0,7. Este fenómeno puede
atribuirse al desprendimiento de la capa superficial que produce restos duros y un aspecto más áspero.
(Li y Bell, 2006) estudiaron la microestructura de un acero AISI 410 nitrurado a plasma convencionalmente en una mezcla de gases de 25% N2 y 75% H2, a una presión de 500 Pa y a temperaturas de 420, 460 y 500 °C durante 20 horas. Con el fin de comparar la respuesta a la corrosión de los especímenes, se realizaron curvas de polarización obtenidas por ensayos potenciodinámicos cuyos resultados se muestran en la figura 21. Adicionalmente, la apariencia de las superficies después de los ensayos se muestra en la figura 22.
Figura 21. Curvas de polarización del acero 410 sin tratar y nitrurado por plasma en una solución de NaCl al 3,5%.
Fuente: (Li y Bell, 2006)
Se reportó que las curvas de polarización de los especímenes nitrurados fueron afectadas considerablemente, debido a que todas muestran una región de pasivación donde la densidad de corriente aumentó lentamente con el potencial. El potencial de corrosión pasó de 312 mV para el espécimen no tratado a 190 mV, 30 mV y 205 mV para los especímenes nitrurados a 420, 460 y 500 °C respectivamente.
Este comportamiento se puede contrastar con las características morfológicas de las superficies mostradas en la figura 22, en las cuáles se muestra que la corrosión por picaduras en las superficies de los especímenes nitrurados fueron de menor tamaño y cantidad que el espécimen no tratado, además no existir corrosión en grietas.
Figura 22. Morfologías superficiales de un acero inoxidable AISI 410 sin tratar y nitruradas tras los ensayos de corrosión en una solución de NaCl al 3,5 %.
Fuente: (Li y Bell, 2006)
Finalmente se realizó un ensayo de pérdida de masa donde los especímenes se sumergieron en una solución acuosa de HCL al 1% a una temperatura ambiente durante 100 horas. Los resultados se muestran en la figura 23.
Figura 23. Pérdida de peso por corrosión en especímenes no tratados y nitruradas por plasma en acero inoxidable 410 en una solución acuosa de HCl al 1%
Fuente: (Li y Bell, 2006)
Los autores registran que la pérdida de peso por corrosión aumenta con el tiempo para todos los especímenes, además la pérdida de peso del espécimen no tratado fue mayor que la de todas las muestras nitruradas para el mismo tiempo de ensayo, indicando que la nitruración por plasma mejora la resistencia a la corrosión en el acero AISI 410.
(Yang et al, 2017) estudiaron un acero AISI 420 el cual fue nitrurado a plasma con arco pulsado de corriente continua y tela activa, el tratamiento se realizó en una atmósfera de amóniaco a una presión de 400 Pa, en un rango de temperaturas de 440 a 520 °C durante 6 horas.
Con el fin de comparar la resistencia a corrosión se realizaron curvas de polarización producidas por ensayos potenciodinámicos. Estos resultados se muestran en la figura 24.
Figura 24. Curvas de polarización del acero inoxidable AISI 420 sin tratar y nitrurado por plasma con arco pulsado de corriente continua y tela activa en una solución de NaCl
al 3,5%.
Fuente: (Yang et al, 2017)
En la figura 24 se puede observar que el espécimen no tratado no presenta una región de pasivación evidente, con un potencial de corrosión de -0,46 V. El potencial de corrosión del espécimen nitrurado a 440 °C se desplaza a un valor más alto de -0,30 V y la curva de polarización muestra una densidad de corriente anódica muy baja, lo que indica que la capa formada luego del tratamiento formada por nitruros de hierro proporciona una barrera contra el ataque por picaduras.
El espécimen nitrurado a 480°C tiene una amplia zona de pasivación comprendida de -0,5 a 0,5 V, y su densidad de corriente de pasivación es menor que la del espécimen a 440 °C, por lo que la capa superficial formada es más gruesa y resistente contra la corrosión. Finalmente, para la curva
de polarización del espécimen nitrurado a 520 °C se observa un desplazamiento negativo del potencial de corrosión, esto se debe a la formación principal de nitruros de cromo en la capa superficial que disminuye la resistencia a la corrosión. Esto se puede confirmar con las imágenes mostradas en la figura 25 donde se observa la morfología de las superficies luego de haber realizados los ensayos de polarización.
Figura 25. Morfologías superficiales ópticas en acero inoxidable AISI 420 sin tratar y nitrurado por plasma con arco pulsado de corriente continua y tela activa
tras los ensayos de polarización
Fuente: (Yang et al, 2017)
En el caso del espécimen no tratado se observa que la superficie presentó corrosión por picadura. Para el espécimen nitrurado a 480 °C se observa que existe corrosión por picaduras, pero eran de menor tamaño y menor cantidad que las de la muestra no tratada. Sin embargo, no
se reportó ninguna picadura en el espécimen nitrurado a 440 °C. El espécimen nitrurado a 520
°C de todos los especímenes fue el que presentó mayor corrosión por picaduras y corrosión en general.
Los coeficientes de fricción de las capas no tratada y nitrurada, se midieron en un ensayo de desgaste mediante un microtribómetro universal con una bola AISI 52100 a una velocidad de deslizamiento de 15 cm/s y con cargas aplicadas de 10 N. Todas las pruebas se realizaron en aire y sin lubricación. Los resultados se muestran en la figura 26.
Figura 26. Variación del coeficiente de fricción vs tiempo de deslizamiento en un acero inoxidable AISI 420 sin tratar y nitrurado por plasma con arco pulsado de corriente
continua
Fuente: (Yang et al, 2017)
Los autores reportaron un coeficiente de fricción alto en el espécimen no tratado oscilando entre 0,93 y 1,02 aproximadamente. El espécimen nitrurado a 440 °C muestra un coeficiente de
fricción medio en estado estacionario entre 0,86 y 0,91 el mayor valor de todos los especímenes tratados, asociado a su baja dureza. El espécimen nitrurado a 480 °C muestra un coeficiente de fricción medio en estado estacionario más estable entre 0,65 y 0,68. Finalmente, el espécimen nitrurado a 520 °C tiene el menor coeficiente de fricción, se sugiere que se debe a la capa superficial formada, la cual es más gruesa debido a los nitruros contenidos en ella producto de una alta temperatura lo que concuerda con lo dicho por (Corengia et al, 2005).
4.3 MICROESTRUCTURA, CARACTERIZACIÓN Y APLICACIONES DE ACEROS INOXIDABLES MARTENSÍTICOS CEMENTADOS POR PLASMA
Aunque existen muchos trabajos en los cuales informan de las diversas aplicaciones de la cementación por plasma a baja temperatura en aceros inoxidables austeníticos, hasta ahora se ha publicado muy poco sobre la cementación por plasma en aceros inoxidables martensíticos.
Inclusive, algunos de los resultados presentados son poco prometedores, ya que se presentan bajas compensaciones y la necesidad de un enfriamiento posterior y/o un acabado de máquina entre las propiedades luego de haber realizado el tratamiento (Leyland et al 1993; Brunatto et al 2012). A continuación, se presentan reportes de microestructura y técnicas de caracterización de distintos autores para tratamientos termoquímicos de cementación por plasma en aceros inoxidables martensíticos.
(Brunatto et al, 2018) estudia un acero inoxidable AISI 420 cementado por plasma convencionalmente, en una mezcla de gases de 99,5(80%H2 +20%Ar) y 0,5CH4 a una presión de 400 Pa, en un rango de temperaturas de 350-500 °C durante 12, 24, 36 y 48 horas. La figura 27 muestra la microestructura de la sección transversal de algunos especímenes cementados a 400°C.
Figura 27. Micrografías de la sección transversal de un acero inoxidable AISI 420 cementado por plasma convencionalmente a una temperatura de 400 °C durante 36 y 48
horas.
Fuente: (Brunatto et al, 2018)
Los autores reportaron que el espesor medio medido de la capa es de unos 50, 65, 80 y 85 μm para los especímenes cementados durante 12, 24, 36 y 48 horas, respectivamente. Al igual que la nitruración, la temperatura en el proceso de cementación también desempeña un papel crucial en el aumento de la profundidad de la zona endurecida, además también se observa un engrosamiento del parámetro de red de la martensita en la capa superficial, lo que sugiere la existencia de martensita expandida para los especímenes cementados a 350, 400 y 450 °C.
Los resultados de DRX con la configuración Bragg-Brentano para especímenes cementados se muestran en la figura 28 en diferentes tiempos.
Figura 28. Patrones de difracción de rayos X del acero inoxidable AISI 420 cementado por plasma convencionalmente a 400 °C durante 12, 24, 36 y 48 horas..
Fuente: (Brunatto et al, 2018)
En el caso del espécimen cementado por 48 horas se reporta la formación de precipitados de carburos de cromo y la aparición de la fase α-Fe lo que indica que la fase de martensita expandida por carbono del acero da lugar a estas dos fases, la temperatura hace posible que los átomos de Cr (sustitutivos) se difundan en la matriz martensítica, lo que hace que se formen carburos de cromo a medida que los átomos de C (intersticial) se difunden fuera de la red de martensita expandida lo que concuerda con (Scheuer, 2021). Igualmente se realizó un perfil de microdureza Vickers con una carga de 10 y 25 gf, como se muestra en la figura 29.
Figura 29. Perfiles de microdureza Vickers del acero inoxidable acero inoxidable AISI 420 AISI 420 cementado por plasma convencionalmente a una temperatura de 400 °C
durante 12, 24, 36 y 48 horas.
Fuente: (Brunatto et al, 2018)
Los valores obtenidos fueron de 935 ± 35, 1055 ± 25, 820 ± 35, 1100 ± 20, 820 ± 35 HV0.024, para los especímenes cementados por plasma temperatura de 400 °C durante 12, 24, 36 y 48 horas, respectivamente. Se puede concluir que tiempos por encima de 36 horas para tiempos de cementación a bajas temperaturas fomenta la aparición de carburos de cromo en la microestructura y la disminución de la dureza de los especímenes.
De la misma manera (Brunatto y Cardoso, 2019) estudiaron un acero inoxidable AISI 410 cementado por plasma con arco pulsado de corriente continua, en una mezcla de gases de 99,5(80%H2 +20%Ar) y 0,5CH4 a una presión de 400 Pa, a una temperatura de 400 °C durante 12 horas y se varió la duración del pulso en tres niveles de 10, 20 y 30 μs respectivamente.
En este estudio no se muestran ensayos de microscopia para los especímenes, pero los autores utilizaron DRX con la configuración Bragg-Brentano para identificar las fases presentes en los especímenes. El difractograma resultante se muestra en la figura 30.
Figura 30. Patrones de difracción de rayos X del acero inoxidable AISI 410 cementado por plasma con arco pulsado de corriente continua, con
tiempo de pulso fueron 10, 20 y 30 μs.
Fuente: (Brunatto y Cardoso, 2019)
Donde se reporta que el espécimen no tratado presenta un pico correspondiente a la fase martensita. Después del proceso de cementación se observa un desplazamiento del pico inicial hacia la izquierda para los diferentes especímenes, esto significa una expansión del parámetro de la red de martensita por la difusión del carbono en la red cristalina del hierro, en el caso de los especímenes los cuales fueron tratados con tiempos de pulso 20 y 30 μs presentan picos más
distantes para el espécimen no tratado, por lo que se concluye que existe una relación lineal entre el tiempo de pulso y el aumento del parámetro de red.
También se realizó un perfil de microdureza Vickers con una carga de 0,01 kgf; como se muestra en la figura 31.
Figura 31. Perfiles de dureza del acero inoxidable acero inoxidable AISI 410 cementado por plasma con arco pulsado de corriente continua, con tiempo de
pulso fueron 10, 20 y 30 μs
Fuente: (Brunatto y Cardoso, 2019)
Se observa que hubo un aumento en la zona tratada. Todos los resultados sugieren que la mejor condición de cementación, entre las estudiadas, sería la de un tiempo de pulso 20 μs. Esto puede deberse a la reactividad del plasma, ya que para para los otros especímenes favorece la
formación de una capa de hollín, que actúa como una barrera para el transporte de átomos de carbono en la superficie.
Por otra parte, (Liua et al,2019) estudiaron un acero inoxidable AISI 431 cementado por plasma convencionalmente, en una mezcla de gases compuesta por 80% H2 y 20 %C2H5OH de a una presión de entre 200 y 300 Pa y una temperatura de 400 °C durante 4, 8 y 16 horas. La figura 32 muestra la microestructura de la sección transversal de los especímenes sin tratar y cementado bajo diferentes tiempos utilizados en este estudio.
Figura 32. Micrografías de la sección transversal de un acero inoxidable AISI 431 cementado por plasma convencionalmente a una temperatura de 400 °C.
Fuente: (Liua et al, 2019)
En la figura 32 se observa la formación de una capa cementada uniforme en el acero inoxidable.
Donde el espesor medio medido de la capa es de 25, 38 y 46 μm para los tiempos de tratamiento de 4, 8 y 16 horas respectivamente. Evidentemente el tiempo de tratamiento aumento de la profundidad de la capa superficial formada. Los resultados de DRX se muestran en la figura 33.
Figura 33. Patrones de difracción de rayos X del acero inoxidable AISI 431 cementado por plasma convencionalmente a una temperatura de 400 °C durante 4, 8 y 16 horas.
Fuente: (Liua et al, 2019)
Los autores reportan que el espécimen no tratado presenta picos correspondientes a la fase martensita. Después del proceso de cementación se informa que existe un aumento de la capa formada en función del tiempo de la cementación, donde se observa un desplazamiento de los picos iniciales de martensita hacia la izquierda, esto confirma la existencia de α’c. La fase Fe3C solo se presenta para el tiempo de cementación de 18 horas y solo a unos 6 μm de la capa superficial.
En este estudio no midieron microdureza; en cambio se reportaron ensayos de nanoindentación donde mediante las curvas de carga-desplazamiento, se pudo calcular el área de contacto
máximo para la carga máxima ejercida y así extrapolar valores de presión de contacto y la dureza del material indentado. Las curvas de nanoindentación se muestran en la figura 34.
Figura 34. Curvas típicas de carga-descarga de la matriz del acero y el espécimen cementado a 6 μm de distancia de la superficie.
Fuente: (Liua et al, 2019)
Se puede ver en las curvas que para el mismo valor de penetración de ~500 nm, la carga aplicada es mucho mayor para la capa cementada por plasma (55mN) que para la matriz (22 mN), evidenciando un mayor valor de dureza en la muestra cementada. El valor del módulo elástico es de 228, 200 y 176 GPa para las muestras cementadas durante 4, 8 y 16 horas, respectivamente y de 87 GP para la no tratada, por lo que se puede concluir que existe un aumento en la dureza de la capa superficial relacionado a la temperatura del tratamiento tal como se ha visto en artículos anteriores.
Por otro lado, se reporta en la literatura aplicaciones de resistencia al desgaste y resistencia a corrosión. (Angelini, y otros, 2016) estudiaron un acero inoxidable AISI 420 cementado a baja temperatura por plasma, en una mezcla de gases de 99,5(80%H2 +20%Ar) y 0,5CH4 a una presión de 400 Pa, en un rango de temperaturas de temperaturas de 350 a 500 °C durante un rango de 4 a 12 horas.
Los autores evaluaron el coeficiente de fricción en los especímenes sin tratar y cementados mediante un tribómetro plano sobre cilindro bajo la norma ASTMG-77. Los resultados se muestran en la figura 35.
Figura 35. Variación del coeficiente de fricción vs temperatura de cementación en especímenes de acero inoxidable AISI 420 sin tratar y cementado
convencionalmente
Fuente: (Angelini, y otros, 2016)
Se observa que los valores de coeficiente medidos están alrededor de un rango típico para contactos de deslizamiento de 0,8 a 1,5; y que los especímenes no se ven afectados de manera significativa por el tiempo o temperatura de cementación.
(Scheuer et al, 2019) evaluó un acero inoxidable AISI 420 cementado a baja temperatura por plasma, en una mezcla de gases de 99,5(80%H2 +20%Ar) y 0,5CH4 a una presión de 400 Pa, en un rango de temperaturas de temperaturas de 350 a 500 °C entre 8 y 48 horas.
Con el fin de comparar la resistencia a corrosión se realizaron curvas de polarización a través de ensayos potenciodinámicos. Estas curvas se muestran en la figura 36.
Figura 36. Curvas de polarización del acero inoxidable AISI 420 sin tratar y cementado convencionalmente en una solución de NaCl al 3,5% durante 12 horas
Fuente: (Scheuer et al, 2019)
Se observa que los especimenes cementados a 400 °C se estabilizan a un potencial más positivo en comparación con las otras condiciones, lo que indica la disolución de la película pasiva en el medio estudiado. En el caso de los especímenes sin tratar y cementados a una temperatura de 400 °C se observa resistencia a la corrosión, esto puede verse como consecuencia de del
agotamiento del Cr promovido por la precipitación de carburo de cromo. En el caso de otras condiciones de tratamientos la capa exterior no posee precipitados de cromo por lo que el núcleo del material no tratado se protegerá del ambiente externo agresivo. Esto se puede confirmar con las imágenes presentadas en la figura 37, donde se observa la morfología de la superficie luego de haber realizado los ensayos potenciodinámicos.
Figura 37. Morfologías superficiales de las muestras de acero inoxidable AISI 420 sin tratar y cementado convencionalmente tras los ensayos de polarización
Fuente: (Scheuer et al, 2019)
