Estudio experimental de la nitruración por plasma para aceros AISI 4340 y AISI 4140 y comparación con el proceso industrial tenifer

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(1)ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA PARA ACEROS AISI 4340 Y AISI 4140 Y COMPARACION CON EL PROCESO INDUSTRIAL TENIFER. DANIEL MAURICIO FRANCO QUINTERO Proyecto de Grado para Ingeniero Mecánico. Asesor: Profesor JAIRO ARTURO ESCOBAR, Dr. Ing. Mec.. Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Mecánica Bogotá, 2010.

(2) TABLA DE CONTENIDO Lista de Figuras .................................................................................................................................... 3 Lista de Tablas ..................................................................................................................................... 6 1. Introducción .................................................................................................................................... 7 1.1 Contextualización ...................................................................................................................... 7 1.2 Objetivo del proyecto ................................................................................................................ 8 2. Marco Teórico ................................................................................................................................. 9 2.1 Estado del arte .......................................................................................................................... 9 2.2 La nitruración .......................................................................................................................... 12 2.2.1 El proceso de nitruración ................................................................................................. 12 2.2.2 Microestructura ............................................................................................................... 13 2.2.3 Aceros para nitruración .................................................................................................... 16 2.3 La nitruración por plasma ....................................................................................................... 17 2.3.1 El proceso de nitruración por plasma .............................................................................. 18 2.3.2 parámetros del proceso ................................................................................................... 19 2.3.3 Ventajas y desventajas ..................................................................................................... 23 2.4 Nitrocarburización ................................................................................................................... 24 2.4.1 El proceso de nitrocarburización...................................................................................... 24 2.4.3 Microestructura ............................................................................................................... 24 2.4 Nitrocarburización Líquida (tenifer) ........................................................................................ 25 2.4.1 El proceso tenifer ............................................................................................................. 25 2.4.2 Parámetros del proceso ................................................................................................... 26 2.4.3 Ventajas y desventajas ..................................................................................................... 26 3. Metodología y Procedimiento Experimental ................................................................................ 27 3.1 Caracterización del reactor de plasma .................................................................................... 27 3.1.1 Características del reactor de plasma utilizado ............................................................... 28 3.1.2 Puesta a punto del reactor ............................................................................................... 36 3.2 Fase de exploración experimental sobre el proceso de nitruración por plasma .................... 41 3.2.1 Caracterización de los aceros adquiridos para nitruración .............................................. 41 3.2.2 Fase de Exploración .......................................................................................................... 43 3.2.3 Fase de Selección del mejor proceso de nitruración ....................................................... 45 3.3 Estudio del proceso de tenifer realizado por la industria ....................................................... 46 1.

(3) 3.3.1 Parámetros del proceso de Tenifer realizado por la industria ......................................... 46 3.4 Caracterización de las muestras.............................................................................................. 47 3.4.1 Preparación de las muestras ............................................................................................ 47 3.4.2 Caracterización de la microestructura ............................................................................. 48 3.4.3 Caracterización de las propieades mecánicas .................................................................. 51 3.5 Análisis estadístico de confiabilidad ....................................................................................... 52 3.5.1 Análisis de variancias ANOVA ........................................................................................... 52 4. Resultados y análisis...................................................................................................................... 54 4.1 Caracterización del reactor de plasma .................................................................................... 54 4.1.1 Diseño y construcción de la base del reactor................................................................... 54 4.1.2 Diseño y construcción de los electrodos .......................................................................... 56 4.1.3 Caracterización del sistema de vacío ............................................................................... 57 4.1.4 Caracterización de la descarga ......................................................................................... 58 4.2 Caracterización del proceso de nitruración por plasma obtenido en el laboratorio .............. 60 4.2.1 Caracterización de los aceros para nitruración ................................................................ 60 4.2.2 Caracterización de la fase de exploración del proceso de nitruración por plasma sobre el acero AISI 4340.......................................................................................................................... 62 4.3 Comparación entre el proceso nitruración por plasma y el tenifer para los aceros AISI 4140 y 4340............................................................................................................................................... 67 4.3.1 Selección de los ciclos de nitruración por plasma para comparación con el proceso tenifer ........................................................................................................................................ 67 4.3.2 Comparación entre los procesos ...................................................................................... 67 5. Conclusiones.................................................................................................................................. 73 5.1 Conclusiones del proceso de nitruración por plasma ......................................................... 73 5.2 Conclusiones de la comparación entre los procesos de nitruración por plasma y el tenifer ................................................................................................................................................... 74 6. Anexos ........................................................................................................................................... 75 6.1 Planos de la base del reactor .................................................................................................. 75 6.2 Planos electrodos .................................................................................................................... 76 7. Bibliografía .................................................................................................................................... 77. 2.

(4) LISTA DE FIGURAS Figura 1. Contextualización de la temática del proyecto. ................................................................................. 7 Figura 2. Tratamientos estudiados en este proyecto ........................................................................................ 8 Figura 3. Tres zonas: Capa blanca, Zona de difusión y núcleo del material. Micrografía de una acero sometido a un proceso de nitruración (1). ....................................................................................................... 14 Figura 4. Diagrama de fases Hierro-Nitrógeno. (1) .......................................................................................... 14 Figura 5. Perfil de durezas, capa blanca y zona de difusión. a) esquema del perfil de durezas. b) perfil de durezas sobre un acero inoxidable martensítico AISI 410 tratado por Tenifer (10). ....................................... 15 Figura 6. Comportamiento de la dureza en función de los elementos de aleación (1). .................................. 16 Figura 7. Efecto de la profundidad de nitruración en función del porcentaje de aleantes que los constituyen (1). .................................................................................................................................................................... 17 Figura 8. Interacción entre las partículas y el material ubicado en el cátodo. (1) ........................................... 19 Figura 9. Temperatura del cátodo en función de la mezcla de Hidrógeno- Argón (P=1 torr, V=500 V). (12).. 20 Figura 10. Relación entre la distancia de colisión y la presión. ....................................................................... 21 Figura 11. Curva de Paschen para la caracterización de la descarga en función del voltaje y la corriente. (1)22 Figura 12. Estructura de los aceros nitrocarburados, tres zonas: capa blanca, zona difusión y núcleo de material. Acero 4340 tratado por Tenifer, capa blanca y zona de difusión. (8) ............................................... 25 Figura 13. Esquema general de la Metodología y Procedimiento experimental. ........................................... 27 Figura 14. Esquema del reactor de plasma utilizado para realizar los procesos de nitruración (6). ............... 28 Figura 15. Fotografía de la fuente de voltaje mostrando sus componentes internos..................................... 29 Figura 16. Configuraciones posibles para los electrodos. ............................................................................... 30 Figura 17. Configuración de electrodos utilizada. ........................................................................................... 30 Figura 18. Fuente auxiliar de voltaje, diseñada y construida por Campo Fritz y Jaime Ramirez. .................... 31 Figura 19. Esquema de la cámara del reactor (6). ........................................................................................... 32 Figura 20. Fotografía de la bomba de vacío. ................................................................................................... 33 Figura 21. Fotografía del manómetro capacitivo. ........................................................................................... 33 Figura 22. Fotografía de los controladores de flujo AALBORG. ....................................................................... 34 Figura 23. Sistema de distribución de gases dentro de la cámara (17). .......................................................... 35. 3.

(5) Figura 24. Diagrama de cuerpo libre de la base del reactor sometido a las presiones de trabajo. ................ 36 Figura 25. Configuración de los electrodos y estructura del cátodo. .............................................................. 38 Figura 26. Curvas de Paschen para diferentes gases (18). .............................................................................. 39 Figura 27. Micrografías de aceros sometidos a un proceso de bonificado donde podemos apreciar la estructura llamada martensita revenida (bainita), la primera foto fue tomada en el microscopio óptico (OM) y las demás en el electrónico (SEM). (19) ......................................................................................................... 42 Figura 28. Procedimiento para preparación de las muestras, Esquema tomado de la referencia (7). ........... 48 Figura 29. Análisis de la microestructura utilizando la herramienta EDS del microscopio electrónico (MEB). 49 Figura 30. Cuantificación de la capa blanca, acero AISI 4140 tratado por Tenifer durante 2h, 5% Nital, 1000x. .......................................................................................................................................................................... 49 Figura 31. Selección de la capa blanca que va a ser analizada por medio del software IMAGEJ (7). .............. 50 Figura 32. Análisis de la imagen utilizando la herramienta threshold del software IMAGEJ. ......................... 51 Figura 33. Diagrama de cuerpo libre en ANSYS. .............................................................................................. 54 Figura 34. Análisis de esfuerzo equivalente de Von mises para el diseño. ..................................................... 55 Figura 35. Análisis de deformación unitaria sobre la pieza diseñada. ............................................................. 55 Figura 36. Reactor de plasma con la nueva base de acero inoxidable. .......................................................... 56 Figura 37. Caracterización del sistema de vacío (Bomba on). ......................................................................... 57 Figura 38. Caracterización del sistema de vacío (Bomba off). ......................................................................... 58 Figura 39. Caracterización de la descarga, P=3mbar. ...................................................................................... 59 Figura 40. Caracterización de la descarga, P=4mbar. ...................................................................................... 59 Figura 41. Caracterización de la descarga, P=8mbar. ...................................................................................... 60 Figura 42. Micro estructura de los Aceros AISI 4140 y 4340, martensita revenida. Micrografías 1000X, 5% Nital. a) Acero AISI 4140, b) acero AISI 4340 y c) Ampliación de la microestructura del acero AISI 4140. ...... 61 Figura 43. Micrografías del Acero AISI 4340 tratado por plasma, 1000X atacado al 5% Nital. a) Tratamiento de 2 horas a 480 ˚C. b) Tratamiento 4 h a 480 ˚C. c) Tratamiento de 2 h a 550 ˚C. d) Tratamiento de 4h a 550˚C. ............................................................................................................................................................... 62 Figura 44. Tamaño de la capa blanca en función del tiempo y la Temperatura. Acero 4340 Nitrurado por plasma. Intervalo de confianza 95%. ................................................................................................................ 64 Figura 45. Análisis de porosidad en los tratamientos por plasma. Micrografías MEB: a) Acero 4340 nitrurado por plasma a 480 ˚C por 2h. b) Acero 4340 nitrurado por plasma a 480 ˚C por 4h. c) Acero 4340 nitrurado por plasma a 550˚C por 2h. d) Acero 4340 nitrurado por plasma a 550 ˚C por 4h. ................................................ 65 4.

(6) Figura 46. Medición del porcentaje de porosidad en la capa blanca para los tratamientos por plasma. ....... 65 Figura 47. Perfil de dureza para diferentes ciclos de nitruración por plasma. ................................................ 66 Figura 48. Comparación de la capa blanca entre la nitruración por plasma y el Tenifer. Micrografías: a) Acero 4340 tratado por Tenifer a 560 ˚C por 2h. b) Acero 4340 nitrurado por plasma a 550 ˚C por 4h. c) Acero 4140 tratado por Tenifer a 560 ˚C por 4h. d) Acero 4140 nitrurado por plasma a 550 ˚C por 4h. ........................... 68 Figura 49. Comparación del tamaño de la capa blanca obtenida por los procesos de nitruración por plasma y Tenifer para los aceros AISI 4140 y 4340. Intervalo de confianza 95%. ........................................................... 69 Figura 50. Comparación de la porosidad entre el proceso de nitruración por plasma y el Tenifer. Micrografías: a) Acero 4340 Nitrurado por plasma a 550 ˚C por 4h. b) Acero 4340 tratado por Tenifer 560 ˚C por 2h. c) Acero 4140 Nitrurado por plasma a 550 ˚C por 4h. d) Acero 4140 tratado por Tenifer a 560 ˚C por 2h. ..................................................................................................................................................................... 70 Figura 51. Comparación entre el porcentaje de porosidad para los tratamientos de nitruración por plasma y Tenifer. Intervalo de confianza al 95%. ............................................................................................................ 71 Figura 52. Comparación entre procesos de nitruración para los aceros AISI 4340 y 4140. El proceso de nitruración gaseosa fue tomado de la literatura (22). ..................................................................................... 72. 5.

(7) LISTA DE TABLAS Tabla 1. Comportamiento del aire a 20˚C en diferentes regímenes de presión (13). ...................................... 21 Tabla 2. Especificaciones generales de la fuente de voltaje............................................................................. 29 Tabla 3. Especificaciones generales de la bomba de vacío. ............................................................................. 32 Tabla 4. Especificaciones generales de los controladores de flujo, * ruido máximo 20 mV pico a pico. ......... 34 Tabla 5. Composición química elemental del acero AISI 4140 bonificado. ...................................................... 42 Tabla 6. Composición química elemental del acero AISI 4340 bonificado. ...................................................... 42 Tabla 7.Durezas de los aceros AISI 4140 y 4340 bonificados. .......................................................................... 42 Tabla 8. Parámetros seleccionados para los ciclos de nitruración. .................................................................. 44 Tabla 9. Cálculos para realizar el análisis de varianzas ANOVA (21). ............................................................... 53 Tabla 10. Análisis de composición química del acero AISI 4140. ..................................................................... 60 Tabla 11. Análisis de composición química del acero AISI 4340. ..................................................................... 61 Tabla 12. Durezas de los Aceros AISI 4140 y 4340 adquiridos en la industria. ................................................. 62 Tabla 13. Tamaño de la capa blanca para los diferentes ciclos, Acero 4340 Nitrurado por plasma. ............... 63 Tabla 14. Comparación tamaño de la capa blanca entre el proceso de nitruración por plasma y el Tenifer. . 69 Tabla 15. Comparación entre el porcentaje de porosidad en la capa blanca obtenido por plasma y el Tenifer. .......................................................................................................................................................................... 71. 6.

(8) 1. INTRODUCCIÓN 1.1 CONTEXTUALIZACIÓN. Tratamientos de endurecimiento superficial por difusión termoquímica. Boruración. Carburización. Carbonitruración. Nitrocarburización. Nitruración. Difusión de Boro. Temperaturas entre 550 y 1095˚C.. Temperaturas entre 850 y 950 ˚C. Carbón es altamente soluble en Austenita.. Difusión de carbono y nitrógeno en la Austenita. Temperatura entre 775 y 900˚C.. Difusión de carbono y nitrógeno en ferrita. Temperaturas entre 450 y 590 ˚C.. Difusión de nitrógeno, Temperaturas entre 400 y 550 ˚C.. Figura 1. Contextualización de la temática del proyecto.. Existen diferentes tratamientos térmicos de endurecimiento superficial de aceros por medio de la difusión termoquímica entre los cuales tenemos: la boruración, carburización, carbonitruración, nitruración y la nitrocarburización. Este proyecto se concentra en el estudio de los tratamientos de nitruración y de nitrocarburización debido a que son procesos que se realizan a bajas temperaturas en comparación con los otros tratamientos de endurecimiento superficial, permitiendo que las piezas no sufran grandes cambios dimensionales y logrando obtener durezas en la superficie relativamente altas en comparación con el núcleo del material. En la Figura. 1 se muestra un esquema indicando los diferentes tratamientos y las. temperaturas a la que se realizan los procesos. Para realizar el tratamiento de nitruración y nitrocarburización existen diferentes métodos que son: . Por medio de un baño de sales (nitruración o nitrocarburización líquida). . Por medio de una atmosfera gaseosa.. . Por medio del plasma.. En la figura 2 se puede ver un esquema general de los métodos para los tratamientos de nitruración y nitrocarburización.. 7.

(9) Tipos de tratamientos estudiados. Nitrocarburización. Gaseosa. Nitruración. Plasma. Líquida. Líquida. Tenifer. Plasma. Gaseosa. Proceso realizado en Universidad de los Andes. Proceso realizado en la industria Colombiana. Figura 2. Tratamientos estudiados en este proyecto. En la industria colombiana se realiza un proceso llamado Tenifer, el cual corresponde a un tratamiento de nitrocarburización líquida. Este tratamiento es muy popular debido al bajo costo de los equipos y el consumo de insumos. Por otro lado se tiene la nitruración por plasma, el cual es un proceso más complicado que el Tenifer en cuanto a la tecnología de los equipos, pero ha demostrado tener ventajas en cuanto al control del proceso y la no producción de desechos tóxicos. El objetivo general del proyecto es demostrar que el proceso de plasma puede llegar a competir con el Tenifer en cuanto a la obtención de propiedades tanto microestructurales como mecánicas. Para esto se decidió hacer el estudio sobre los aceros de bajo con tenido de elementos aleantes AISI 4140 y 4340 porque son aceros ampliamente utilizados en la industria y según lo estudiado en la literatura (1) presentan un muy buen comportamiento cuando son sometidos a estos tipos de tratamientos de endurecimiento superficial.. 1.2 OBJETIVO DEL PROYECTO El objetivo general del proyecto es demostrar que el tratamiento de nitruración por plasma puede competir con el tratamiento industrialmente utilizado de Tenifer en cuanto a la obtención de propiedades microestructurales y mecánicas para los aceros AISI 4140 y 4340. Las propiedades que se comparar son:  . A nivel de la microestructura: microestructura y fases presentes después del tratamiento, tamaño de la capa blanca y porosidad de la capa blanca. A nivel de las propiedades mecánicas: perfil de micro durezas en la zona de difusión. 8.

(10) 2. MARCO TEÓRICO. El propósito de este capítulo es explicar los conceptos básicos de los tratamientos de nitruración y nitrocarburización, enfocándonos principalmente en el proceso de nitruración por plasma. Para esto se empieza estudiando un poco de historia mostrando los avances que se han alcanzado a través de los años en el tema de nitruración y la nitruración por plasma. Después se explican los conceptos básicos de la nitruración para poder pasar a estudiar la nitruración por plasma. La última parte del capítulo se dedica a estudiar brevemente el tratamiento de nitrocarburización haciendo énfasis en el proceso de Tenifer.. 2.1 ESTADO DEL ARTE El proceso de nitruración fue estudiado por primera vez en 1900 por el ingeniero de metalurgia Adolph Machlet. Adolph descubrió que el proceso de endurecimiento térmico superficial fabricado por medio de la carbonización tenía una serie de problemas en cuanto a estabilidad dimensional de la pieza tratada. Durante una serie de experimentos se dio cuenta que el nitrógeno era soluble en el hierro, que la difusión de nitrógeno podría producir un endurecimiento de la superficie de un acero y también mejorar sus propiedades mecánicas. Este proceso fue realizado sin necesidad de aumentar mucho la temperatura del material (por debajo de la temperatura de austenización) y más importante aún sin necesidad de enfriar rápidamente, lo cual es la causa de la distorsión del material cuando es templado. Machlet desarrolló la primera patente para un proceso de nitruración en marzo de 1908 en Elizabeth, New Jersey, la cual llevaba como título “The nitrogenization of Iron and Steel in an Amonia Gas Atmosphere into which an Excess of Hydrogen Has Been Introduced”. (1). Por otro lado en Europa también se venían desarrollando estudios acerca del proceso de nitruración. Adolph Fry, considerado el “padre de la nitruración”, realizaba en Alemania investigaciones acerca del proceso de nitruración. Al igual que Machlet, Fry pudo reconocer la solubilidad del nitrógeno en hierro a una determinada temperatura. También descubrió el efecto de los elementos aleantes sobre los resultados del proceso. Fry aplicó por su patente en 1921. El usaba una técnica muy parecida a la de Machlet con la diferencia de que el no usaba el hidrógeno como gas diluyente. Fry también investigó los efectos de los elementos aleantes en el endurecimiento de las superficies, descubriendo que el proceso de nitruración solo produce un alto grado de dureza superficial en aceros que contienen cromo, molibdeno, aluminio, vanadio y tungsteno. (1). 9.

(11) Después de los aportes hechos por Fry, continuaron las investigaciones en el tema tratando de variar los parámetros del proceso para observar comportamientos característicos. Mc Quaid y Ketcham, ingenieros metalúrgicos de la compañía Timken Detroit Axle, realizaron una serie de investigaciones para evaluar el proceso de nitruración. Después de dos años presentaron sus resultados (1928): ellos concluyeron que altas temperaturas tenían un efecto en la dureza de la superficie de los aceros aleados, pero la capacidad de nitruración bajaba a esas temperaturas. También descubrieron que a altas temperaturas se corría el riesgo de formar un defecto, produciendo una capa muy frágil sobre el material. McQuaid y Ketcham fueron los primeros en estudiar la capa blanca formada después del proceso de nitruración. Sus resultados mostraron que los aceros debían tener una superficie limpia porque de otra forma la capa nitrurada podía exfoliarse y desprenderse del acero. (2). Robert Sergeson, asociado con los laboratorios de la corporación Central Alloy Steel Canton Ohio, presentó un paper en julio de 1929 que repasaba todos los trabajos de Adolph Fry sobre aceros con contenido de cromo, aluminio, molibdeno, vanadio y tungsteno. (1) (2) Sergeson estudió los efectos de la temperatura y el flujo de gas sobre los aceros aleados y encontró que si el flujo de amoniaco era incrementado manteniendo una temperatura de 510 ˚C, la diferencia de resultados no cambiaba mucho en cuanto a la dureza superficial y al espesor de la capa. También encontró que si aumentamos la temperatura en el proceso, la capa de nitruración crece pero la dureza disminuye.. Dos profesores del instituto tecnológico de Massachusetts (MIT), V.O. Homerberg y J.P Walsted, estudiaron los efectos de la temperatura por arriba de los 750 ˚C obteniendo como resultado una menor dureza superficial y una mayor capa. También ratificaron que la superficie del acero a nitrurar debía estar limpia antes de realizar el proceso.. Dr Carl F. Floe de MIT estudió la composición de la capa blanca, identificando fases ε y γ´. Él también diseño un proceso para reducir el grosor de la capa, conocido como proceso de Floe. (1). El proceso de nitruración por plasma apareció en 1932, gracias a los trabajos realizados por el físico Alemán Dr. Wehnheldt, el cual debido a una serie de problemas que tenía sobre el control del flujo de descarga, decide unirse con el físico Suizo Dr Berhard Berghaus. Juntos forman una empresa especialista en manufactura de equipos para nitruración iónica llamada Klockner Ionen GmbH. (1). En 1970 el proceso de nitruración empezó a tomar fuerza en la industria Europea después de 70 años de estudio. En 1964 la fuerza Naval de los Estados Unidos aceptaron que el proceso de nitruración iónica cumplía con las normas estándares de nitruración y aplicaron el proceso a una gran variedad de materiales y. 10.

(12) piezas (1). A partir de esta fecha se siguieron realizando más estudios en el proceso de nitruración por plasma lo cual lleva hasta el día de hoy.. Enfocándose más en el tema de este proyecto, que es la nitruración por plasma en aceros de bajo contenido de elementos aleantes, se han encontrado una serie de trabajos que han sido realizados por distintas personas en diferentes partes del mundo en los últimos 20 años.. En 1994,. realizaron un estudio acerca del comportamiento a esfuerzo de fatiga de un. acero AISI 4140 después de ser tratado por un proceso de nitruración iónica. El proceso fue investigado variando las condiciones de temperatura (500-600˚C), tiempo (1-12 h), tratamiento térmico antes de la nitruración y mezcla de gases (. ). En conclusión encontraron que la resistencia al esfuerzo. de fatiga del acero después de ser nitrurado aumentaba el 35%, además descubrieron que el esfuerzo de fatiga depende de la dureza superficial de la capa nitrurada y que en la superficie se forman esfuerzos de compresión responsables de la dureza del material. También encontraron que la dureza superficial del material depende del tratamiento térmico aplicado sobre el material antes del proceso de nitruración.. En 2004, A. Medina, C. Arganis, P. Santiago y J. Oseguera realizaron un estudio electroquímico sobre la corrosión que presenta el acero AISI 4140 después de ser nitrurado por plasma y lo compararon con los resultados obtenidos para un acero sin el tratamiento. El resultado del estudio fue que el acero nitrurado tiene más resistencia a la corrosión que él no nitrurado debido a la capa blanca formada en la superficie por el tratamiento, la cual permite la protección contra la corrosión debido a la baja porosidad de la misma. (3). En el 2006, Sirin Sule, Sirin Kahraman y Kaluc Erdinc hicieron un estudio acerca del comportamiento del esfuerzo de fatiga de un acero AISI 4340 después de ser sometido a un proceso de nitruración iónica. En los resultados obtuvieron que la resistencia a la fatiga del acero aumentaba en casi un 90 % y que las grietas se formaban en una región sub-superficial en la forma llamada “fish eye”. (4). En la Universidad de los Andes se empezó a estudiar el plasma para el procesamiento de materiales en el 2006. Campo Fritz realizó un trabajo en el cual estudió los parámetros en un horno de plasma de corriente directa (5) y en el 2007 investigó acerca del proceso de sinterización por plasma. En el mismo año, Dairo Vizcaíno presentó en su proyecto de grado, una investigación sobre el proceso de nitruración por plasma y el diseño, construcción y montaje del reactor. Dairo logró diseñar, construir y montar el reactor pero debido al poco tiempo disponible no alcanzó a realizar el procedimiento experimental que el mismo propuso para aceros de herramientas. (6). 11.

(13) En el 2009 en otro proyecto de grado de la Universidad de los Andes, Juan Guillermo Schlief realizó un análisis experimental del proceso de nitruración por plasma para aceros para herramientas y comparó los resultados con el proceso TENIFER® en Colombia. Su trabajo se dedicó a estudiar propiedades como dureza, porosidad, composición y finalizó haciendo un análisis de costos entre los dos procesos estudiados. (7). 2.2 LA NITRURACIÓN La nitruración es un tratamiento termoquímico que se utiliza para endurecer los aceros y mejorar sus propiedades microestructurales y mecánicas. El proceso consiste en la difusión de nitrógeno elemental en la superficie del acero, ocupando los espacios intersticiales y formando nitruros de hierro. La nitruración es un proceso que se realiza a una temperatura por debajo de la temperatura de austenización por lo tanto no hay un cambio en la estructura del material y la estabilidad dimensional de las piezas es mejor que en otros procesos como por ejemplo en el temple. A manera de comparación, la nitruración opera en un rango cercano a los 500°C, temperatura relativamente más baja de los 970°C utilizados en la carburización o los 870°C utilizados en la carbonitruración. Por otro lado, dado que la nitruración toma lugar en la región ferrítica del diagrama de fase Fe-N, no ocurre un cambio en la estructura de la pieza tratada. (1) (8) La nitruración es un proceso relativamente fácil de controlar en términos de los parámetros del proceso. Además, la nitruración produce una elevada resistencia a la corrosión y al desgaste en aceros de bajo carbono y baja aleación aunque la dureza obtenida no sea tan alta como en otros procesos. La dureza del núcleo no es afectada debido a la conservación de la microestructura inicial, sin embargo para aceros de bajo contenido de elementos aleantes la dureza de la superficie puede llegar a ser doble en comparación con la del núcleo. Finalmente la nitruración no requiere un proceso de temple en su etapa final, como lo requiere la carburización, esto resulta también en una disminución de la distorsión de las piezas. (1) (8). 2.2.1 EL PROCESO DE NITRURACIÓN La nitruración se da gracias a un proceso de difusión del nitrógeno elemental en la matriz del acero. Realmente lo que sucede es que el nitrógeno ocupa los espacios intersticiales de la red cristalina formada por los átomos de hierro, el nitrógeno tiene un diámetro atómico de 0.142nm y es disuelto en el hierro en las posiciones intersticiales octaédricas de la red cristalina que tienen un diámetro máximo de 0.038nm en hierro BCC (hierro α) y un diámetro máximo de 0.104nm en hierro FCC (hierro γ). (1) El fenómeno de difusión intersticial consiste en el movimiento de átomos dentro de una disolución. A nivel atómico lo que sucede es que los átomos se mueven de un sitio a otro dentro de la red causando en algunos casos la distorsión de la misma. Para que un átomo pueda desplazarse de un lugar a otro se deben dar dos. 12.

(14) condiciones: La primera es que existan lugares vacios donde los átomos puedan emigrar (espacios intersticiales) y la segunda es que el átomo debe tener suficiente energía para romper los enlaces y lograr entrar en los espacios vacios. La energía de activación se conoce como la energía que necesita un átomo para vencer la barrera de los enlaces y poder desplazarse de un lugar a otro. La temperatura es un parámetro importante ya que ejerce una gran influencia en la velocidad de difusión de los átomos debido a que aporta la energía necesaria para poder romper los enlaces. Cuando aumentamos la temperatura los átomos absorben esta energía en forma de energía vibratoria, la cual permite que algunos átomos empiecen a difundirse aumentando la velocidad de difusión conforme aumenta la temperatura. (8) Para explicar el fenómeno se hace uso de la ley de Arrhenius (ecuación 1) y la segunda ley de Fick para estados estacionarios entre un gas y un sólido (ecuación 2), las cuales se expresan como: 1. Donde: “D” es el coeficiente de difusión ( que los átomos se difunden (. ), “. ” es una constante que determina la frecuencia con la. ), “Q” es la energía de activación (J/mol), “R” es la constante de los gases. ideales (J/mol*K) y “T” la temperatura (K). 2. Donde “D” es la constantes de difusión (. ), “Co” es la concentración inicial de la especie, “Cx” es la. concentración final de la especie, “Cs” es la concentración superficial de la especie, “t” es el tiempo (s) y “x” la profundidad a la que se encuentra la concentración de nitrógeno (µm), “ferr o erf” es la función de error de Gauss. Estas ecuaciones permiten hacer un modelo matemático y calcular el tiempo que se requiere para obtener cierta concentración de nitrógeno a cierta profundidad para los métodos de nitruración gaseosa y líquida, los cuales son procesos puramente difusivos. Con respecto a la nitruración por plasma no podemos analizar el método con estas ecuaciones debido a que el plasma no es solo un proceso químico de difusión sino que también físico en donde el bombardeo de iones aumenta la capacidad de penetración de nitrógeno en la superficie. (9). 2.2.2 MICROESTRUCTURA Después de realizado el tratamiento de nitruración sobre un acero podemos distinguir tres zonas principales en la superficie del material. La primera zona corresponde a la capa blanca, la cual recibe este nombre porque al ser atacada con nital aparece de color blanco. Esta capa puede estar formada por nitruros de hierro en fase γ´ y ε dependiendo de la cantidad de nitrógeno disuelta en la estructura del hierro. La. 13.

(15) segunda zona corresponde a la parte de difusión, en donde encontramos nitruros formados a partir de los elementos aleantes que contiene el tipo de acero que es tratado. Finalmente se tiene la tercera zona que corresponde al núcleo del material, el cual conserva la microestructura inicial del material antes de realizar el tratamiento. En la Figura 3 se observa por un lado una micrografía de un acero nitrurado donde se pueden identificar las tres zonas y a continuación un esquema donde observamos las posibles combinaciones que se obtienen dependiendo del tipo de tratamiento.. Figura 3. Tres zonas: Capa blanca, Zona de difusión y núcleo del material. Micrografía de una acero sometido a un proceso de nitruración (1).. A continuación se explica en qué consiste la capa blanca y cómo se forman las fases γ´ y ε. Para esto se hará uso del diagrama de fases binario Hierro-Nitrógeno que se puede ver en la Figura 4.. Figura 4. Diagrama de fases Hierro-Nitrógeno. (1). . La Fase γ´ consiste de una solución solida intersticial de nitrógeno en hierro formando el compuesto , el cual presenta una estructura cristalina FCC con un contenido de nitrógeno entre el 5.7% y 6.1% en peso (Ver Figura 4). La temperatura máxima a la que se forma esta fase es de 680˚C con un porcentaje de nitrógeno de 5.7% en peso. 14.

(16) . La Fase ε se forma a partir de una solución sólida intersticial de nitrógeno en hierro formando el compuesto. , el cual presenta la estructura HCP con un límite de solubilidad de desde 8 %. hasta 11% (ver Figura 4). La formación de esta fase depende de la cantidad de nitrógeno disponible en el proceso, normalmente se encuentra en el rango de 60-80 % de nitrógeno del total de la mezcla. Esta fase presenta una mayor homogeneidad en comparación con la fase γ´ y se caracteriza por su alta dureza y baja porosidad, lo que permite obtener mejores propiedades mecánicas. La capa blanca es la zona que mayor dureza presenta dentro de las tres zonas y es la que más contribuye a mejorar las propiedades microestructurales y mecánicas del material. El tamaño de la capa depende del tiempo de tratamiento y temperatura del proceso según los resultados consultados en la literatura (3) (4). La zona de difusión también presenta características importantes. Esta zona la podemos identificar por medio de un perfil de durezas cerca de la superficie del material. Lo que se observa es que la dureza es máxima en la capa blanca y después empieza a disminuir en la zona de difusión hasta que llegamos al núcleo del material donde la dureza es igual a la obtenida inicialmente antes de realizar el tratamiento. En la Figura 5 se observa esquemáticamente cómo se comporta el perfil de dureza sobre los aceros nitrurados. Algunos aceros presentan la cualidad de permitir una zona de difusión más amplia que otros, esto se debe a los elementos aleantes que contengan los aceros ya que algunos promueven la formación de nitruros estables en esta zona permitiendo que la dureza se mantenga alta. Para el caso de los aceros aleados que contengan aluminio, cromo, vanadio, tungsteno y molibdeno la zona de difusión es fácil de presenciar a través del análisis metalográfico debido a la formación de nitruros con los elementos aleantes que constituyen al acero.. Figura 5. Perfil de durezas, capa blanca y zona de difusión. a) esquema del perfil de durezas. b) perfil de durezas sobre un acero inoxidable martensítico AISI 410 tratado por Tenifer (10).. 15.

(17) 2.2.3 ACEROS PARA NITRURACIÓN Prácticamente cualquier acero puede ser sometido a un proceso de nitruración pero algunos presentan un mejor comportamiento debido a sus elementos aleantes. Los aceros con aleaciones de aluminio, cromo, vanadio, tungsteno y molibdeno facilitan el proceso ya que permiten la formación de nitruros (son formadores de nitruros) dejando como resultado capas con altas durezas. Por lo general el espesor de la zona de difusión disminuye con el aumento de elementos aleantes debido a que estos forman nitruros y tienen un efecto retardador en la difusión del nitrógeno. La nitrurabilidad también puede ser afectada por la micro-estructura y el tamaño de grano del acero. Una estructura ferritica favorece la difusión del nitrógeno mientras que un tamaño grande de grano puede favorecer la formación de compuestos como los nitruros. A continuación en la Figura 6 se puede observar una gráfica en donde se muestra la influencia de los elementos aleantes en la dureza después de haber sido sometido a un proceso de nitruración. Como resultado de esta gráfica se puede decir que los elementos como el aluminio y el titanio aumentan la dureza en el proceso de nitruración, esto se debe a la afinidad que tienen estos elementos con los compuestos formados a partir de los nitruros. (1). Figura 6. Comportamiento de la dureza en función de los elementos de aleación (1).. 16.

(18) Por otro lado en la Figura 7 se observa cómo se comporta el espesor de la capa nitrurada en función del contenido de elemento aleantes. Nuevamente el aluminio y el titanio afectan notablemente el proceso permitiendo una mayor penetración en la superficie de la muestra.. Figura 7. Efecto de la profundidad de nitruración en función del porcentaje de aleantes que los constituyen (1).. En general los aceros a los que se recomienda realizar el tratamiento de nitruración son: . Aceros de bajas aleaciones que contienen aluminio. . Aceros de medio carbono, que contengan cromo y las series 4100, 4300, 5100, 6100, 8600, 8700 y 9800.. . Aceros para matrices de trabajo en caliente con contenido de 5% de cromo como los H11, H12 y H13.. . Aceros para herramienta rápidos y endurecidos al aire como el M-2, M-4 y A-2, A-6.. . Aceros inoxidables.. 2.3 LA NITRURACIÓN POR PLASMA La nitruración por plasma es un proceso de endurecimiento superficial que involucra reacciones químicas y físicas en la superficie de las piezas. El plasma se genera a partir de unas condiciones particulares de presión, composición de la atmósfera, temperatura, voltaje y corriente. Esto permite la generación de unos procesos de colisión entre los cuales tenemos los choques elásticos e inelásticos. A partir de los procesos de colisión se dan inicio a una serie de fenómenos que son la ionización, excitación, relajación y recombinación. Estos fenómenos permiten que se pueda realizar el proceso de nitruración por plasma. En este capítulo se explica. 17.

(19) cómo funciona la nitruración por plasma, como afectan los parámetros de control en el proceso y las ventajas y desventajas que presenta frente a otros métodos de nitruración. Una de las ventajas principales de este proceso es que permite el control de todas las variables del proceso (presión, temperatura, tiempo, voltaje, corriente y composición y flujo de la atmósfera), las cuales se pueden manipular para mejorar los resultados obtenidos en cuanto a la calidad del proceso. (1). 2.3.1 EL PROCESO DE NITRURACIÓN POR PLASMA Como se dijo en la parte de la introducción, el plasma se genera a partir de unas condiciones particulares de los parámetros del proceso (presión, temperatura, composición de la atmósfera, voltaje y corriente) que permiten que surjan los fenómenos de la ionización, excitación, relajación y recombinación. La descarga se genera por medio de un par de electrodos, cátodo y ánodo, los cuales son sometidos a una diferencia de potencial en un sistema que se encuentra dentro de unas condiciones particulares. El cátodo es conectado al potencial negativo de la fuente mientras que el ánodo se conecta a tierra. La diferencia de potencial hace que los electrones que se encuentran dentro de los electrodos empiecen a desplazarse en dirección al ánodo chocando en su camino con las demás partículas que se encuentran dentro del sistema y de esta manera se produce el fenómeno de ionización. La ionización es el principal fenómeno que se utiliza para realizar un proceso de nitruración por plasma. Lo que sucede es que cuando un átomo neutro de nitrógeno es ionizado, es acelerado fuertemente en dirección al cátodo debido a la diferencia de potencial. Cuando el ion choca con una energía suficientemente alta produce el fenómeno conocido como sputtering, en el cual el ion de nitrógeno desprende átomos e impurezas (óxidos y contaminantes) de la superficie del cátodo permitiendo que: 1) Los átomos de hierro salgan de la superficie del material del cátodo y reaccionen por afinidad química con átomos neutros de nitrógeno que se encuentren en la región y los compuestos formados (nitruros de hierro) sean absorbidos por el material del cátodo. 2) Que las impurezas sean desprendidas de la superficie del cátodo y evacuadas por el sistema de bombeo del reactor. De esta manera se obtienen los nitruros de hierro en sus diferentes fases (dependiendo de la cantidad de nitrógeno absorbida) en la superficie del cátodo y además debido al fuerte impacto de los iones de nitrógeno se logra implantarlos en la superficie del material del cátodo permitiendo su difusión. Por esta razón es que las piezas que se desean nitrurar deben ir sobre el cátodo y no sobre el ánodo donde los fenómenos son diferentes. (1) (8) (11). 18.

(20) Figura 8. Interacción entre las partículas y el material ubicado en el cátodo. (1). 2.3.2 PARÁMETROS DEL PROCESO En la sección anterior se dijo que para poder obtener un proceso de nitruración por plasma se necesitan unas condiciones particulares de composición de la atmósfera, presión, voltaje, corriente y temperatura. Esta sección se enfoca en el estudio basado en la literatura de estos parámetros con el propósito de entender cómo afecta cada uno al proceso de nitruración.. COMPOSICIÓN DE LA ATMÓSFERA La composición de la atmósfera para un proceso de nitruración por plasma generalmente consta de dos componentes, hidrógeno y nitrógeno. Este proyecto hace uso también de argón debido a que el reactor utilizado no tiene un sistema de calentamiento auxiliar sino que depende del calor generado por el bombardeo de partículas, para lo cual se ha encontrado que resulta mejor usar una combinación de hidrógeno-argón para calentar la pieza. En la Figura 9 se observa una curva que muestra cómo se comporta la temperatura en función de la mezcla hidrógeno-argón. Por otro lado se puede ajustar la composición de nitrógeno para promover la formación de nitruros fase ε y γ´ teniendo en cuenta lo consultado en la literatura (1) (8). Para esto si se desea que la capa blanca este compuesta nitruros de hierro fase ε, el porcentaje de nitrógeno que debe haber en el sistema tiene que estar entre el 60 y 80 %. Mientras que si se quiere obtener nitruros de hierro fase γ´ la composición total debe tener un porcentaje de nitrógeno entre el 15 y 30 %.. 19.

(21) Figura 9. Temperatura del cátodo en función de la mezcla de Hidrógeno- Argón (P=1 torr, V=500 V). (12). Algo muy importante que hay que tener en cuenta es asegurar que la cantidad de hidrógeno que se encuentra dentro del ambiente del reactor sea la suficiente como para no permitir que el oxígeno que entra a la cámara oxide a las piezas que se están tratando. Para confirmar esto se debe realizar una caracterización del sistema de vacío donde se pueda establecer la cantidad de oxígeno que entra en el sistema mientras se está realizando el tratamiento y de esta manera establecer la tasa de flujo de hidrógeno necesaria para que las piezas no se oxiden.. PRESIÓN La presión es el parámetro que indica la cantidad de especies que se tienen dentro del reactor y por lo tanto es muy importante dentro del proceso. Un concepto muy importante que se debe tener en cuenta para entender la influencia de la presión en el sistema es el camino libre medio “mean free path”, el cual indica la distancia que recorren las partículas dentro del sistema antes de colisionar con otra partícula. Si se tiene una presión alta (101,325 kPa) la distancia media de colisión es pequeña dado que se tienen muchas partículas en el ambiente que chocan entre sí rápidamente. Por esta razón la probabilidad de generar el plasma es baja debido a que las partículas no alcanzan a recorrer la distancia necesaria para acumular la energía suficiente para producir los distintos fenómenos de colisión que generan el plasma. Por otro lado si la presión es muy baja (. Pa ó. torr) las partículas tiene que recorrer largas distancias para poder colisionar. causando que la probabilidad de colisión sea baja y por lo tanto la generación de plasma también. Una presión ideal de trabajo es alrededor de 1 a 10 torr (100 a 1000 Pa aproximadamente) considerada la región de vacío medio, en donde la probabilidad de que se generen los fenómenos de colisión es bastante alta (13). En la Figura 10 se puede observar una representación simbólica de lo que sucede en los diferentes rangos de presión. En la Tabla 1 se muestran algunas características específicas para los rangos de vacío. Como se. 20.

(22) puede observar en la tabla, entre mayor sea el vacío mayor es la distancia libre que tienen las partículas para recorrer y menor es la frecuencia de colisión.. Figura 10. Relación entre la distancia de colisión y la presión.. Tabla 1. Comportamiento del aire a 20˚C en diferentes regímenes de presión (13).. 1 atmósfera Medio vacío* Alto vacío* Muy vacío* Ultra vacío*. Presión (torr). Presión (Pa). 760. 101 325 0.133 1.3*. alto. Número densidad ( ). Camino libre medio (cm). Frecuencia de colisión superficial ( ). 5. 1.3*. alto. *límite inferior del rango.. VOLTAJE Y CORRIENTE El voltaje y la corriente son controlados por medio de una fuente de corriente directa pulsada diseñada para trabajar en la zona de descarga luminiscente anormal, en donde la descarga generada se caracteriza por envolver uniformemente el cátodo permitiendo un calentamiento de la pieza igualmente uniforme. En esta región el voltaje y la corriente son directamente proporcionales, lo que implica que si aumentamos el voltaje. 21.

(23) la corriente también aumenta de manera lineal. En la Figura 11 se puede ver las distintas regiones de descarga en relación con el voltaje y la corriente. Como se mencionó en el principio del párrafo los procesos de nitruración se realizan en la región luminiscente anormal.. Figura 11. Curva de Paschen para la caracterización de la descarga en función del voltaje y la corriente. (1). TEMPERATURA La temperatura en un proceso de nitruración por plasma es baja con respecto a los otros procesos de nitruración. En este caso se manejan temperaturas que varían desde los 400 ˚C hasta los 550 ˚C (1) (8). La temperatura dentro de este proceso depende del bombardeamiento de iones y átomos neutros sobre la superficie del material, entre más iones y átomos neutros choquen con el material mayor temperatura se va a generar. Se puede afirmar que para algunos materiales entre mayor temperatura se alcance mayores durezas y espesores de capas se van a obtener. Para una temperatura por debajo de los 400˚C la difusión de nitrógeno en el hierro es extremadamente lenta y las capas obtenidas son demasiado delgadas para soportar los esfuerzos a los que son sometidas. En el intervalo de temperaturas entre 400˚C y 500˚C se garantiza mantener inalterada las resistencia del núcleo del material y las dimensiones de la pieza, también se mantiene la microestructura inicial debido a que la temperatura no es tan alta como para que ocurra un cambio de fase (14). El intervalo entre 500˚C y 580 ˚C es el más utilizado debido a que se logran obtener buenas durezas superficiales y en consecuencia mayor resistencia al desgaste (14).. 22.

(24) Un ciclo de nitruración por plasma comienza con un calentamiento de la pieza hasta llegar a la temperatura requerida. Es importante tener en cuenta que la tasa de calentamiento de la pieza no sea mayor a 10˚C por minuto debido a que puede ocasionar un choque térmico en la pieza afectando los resultados del tratamiento debido a la formación de esfuerzos residuales en la superficie del material.. TIEMPO El tiempo de tratamiento es el tiempo que se demora en llevar a cabo un ciclo de nitruración. Entre mayor sea el tiempo de tratamiento, mayor cantidad de nitrógeno se va a difundir en el material y por lo tanto el espesor de la capa va a ser mayor. La dureza también se incrementa con el tiempo aunque para tratamientos muy largos la capa se vuelve muy frágil y por lo tanto se desprende fácil del material. Para procesos de nitruración por plasma el tiempo varía entre media hora y 10 horas.. 2.3.3 VENTAJAS Y DESVENTAJAS Ventajas de la nitruración por plasma: . Eficiencia y reproducibilidad del proceso. Esto se logra debido a que es un proceso que permite el control de todos los parámetros permitiendo que sean ajustados dependiendo del tipo de resultados que se quieran obtener. Por ejemplo: si quieren obtener piezas que sean poco porosas entonces se debe realizar tratamientos en tiempos cortos para que el bombardeo de iones no afecte la superficie formada por el tratamiento.. . Beneficios ambientales como la limpieza y la no producción de efluentes tóxicos. Los tipos de gases utilizados (argón, nitrógeno e hidrógeno) no contaminan de ninguna forma el medio ambiente.. . Distorsión mínima y estabilidad dimensional de la pieza tratada, mejor control del tipo de superficie creada en la pieza. Esto se debe a que los tratamientos se realizan a bajas temperaturas y la estructura del material no sufre ningún cambio.. . Bajos costos de operación: El consumo de gases es bajo y debido a que la temperatura del tratamiento es más baja que para otros procesos se requiere de un menor consumo por parte de la fuente.. Desventajas del proceso: . Costo elevado de los equipos debido a la complejidad y por lo tanto requiere de una alta inversión inicial.. . Es un proceso “complejo” que requiere de personal capacitado para poder entender cómo funciona.. 23.

(25) 2.4 NITROCARBURIZACIÓN La nitrocarburización es un tratamiento de endurecimiento superficial termoquímico muy parecido a la nitruración. La principal diferencia entre estos dos tratamientos es que la nitrocarburización no solo consiste en la difusión de nitrógeno en la superficie si no que también de carbono. El rango de temperaturas en las cuales se realiza este tratamiento es muy similar al de la nitruración entre unos 450 y 580 ˚C (1) (8), permitiendo la estabilidad dimensional de la pieza tratada. Por medio de la nitrocarburización se pueden obtener piezas con durezas superficiales un poco más altas que para el proceso de nitruración, debido a la formación de carbo nitruros de hierro sobre la superficie del material.. 2.4.1 EL PROCESO DE NITROCARBURIZACIÓN La nitrocarburación es un proceso termoquímico derivado de la nitruración y diferente a la carbonitruración. El proceso consiste en introducir nitrógeno y carbono simultáneamente en el acero por medio de la difusión intersticial, mientras este conserva su estructura ferritica lo cual indica que el tratamiento se realiza a temperaturas menores que la de austenización. Este proceso es ampliamente utilizado en la industria para el tratamiento de aceros inoxidables, aceros aleados, aceros para maquinado, aceros micro-aleados, etc. La mayoría de piezas se someten a este tratamiento para mejorar la resistencia al desgaste y también para mejorar propiedades de fatiga. Este tratamiento se puede realizar por medio de un baño de sales, a través de una atmosfera gaseosa o utilizando la tecnología de plasma (8).. 2.4.3 MICROESTRUCTURA Después de realizado un proceso de nitrocarburación se puede observar un cambio en la estructura superficial del material debido al tratamiento. Generalmente se identifican tres zonas distintas en el material tratado: Zona de la capa blanca, Zona de difusión y Zona del núcleo del material tratado. En la Figura 12 se observa un esquema de las tres zonas. La capa blanca normalmente está compuesta por carbonitruros de hierro (. ) de fase ε, la cual es formada entre temperaturas de 450 ˚C y 590˚C. EL tamaño. de la capa blanca depende del tiempo del proceso, normalmente encontramos capas entre 10-40 µm. Seguido de la capa blanca se encuentra la zona de difusión, la cual está compuesta por nitruros de hierro y nitrógeno que ha sido absorbido por el material. Para los materiales que contienen un porcentaje considerable de elementos aleantes (por ejemplo alto contenido de. Cr) es muy común observar la. formación de nitruros estables con los aleantes en esta zona. El tamaño de esta zona por lo general se encuentra entre 150-500 µm. Por último se tiene la zona del núcleo del material, la cual está compuesta por el material base y se caracteriza por conservar las propiedades iniciales del material antes de ser sometido al tratamiento. Siguiente al esquema se muestra una micrografía en la cual se puede observar la capa blanca y. 24.

(26) la zona de difusión, la cual se encontró que mide aproximadamente 150 µm. Esta imagen corresponde a un acero 4340 tratado por tenifer durante 2 horas a una temperatura de 550˚C.. Figura 12. Estructura de los aceros nitrocarburados, tres zonas: capa blanca, zona difusión y núcleo de material. Acero 4340 tratado por Tenifer, capa blanca y zona de difusión. (8). 2.4 NITROCARBURIZACIÓN LÍQUIDA (TENIFER) La nitrocarburización líquida o por baño de sales es conocida en la industria como el Tenifer. Este nombre viene de la combinación de palabras Tenax (Tenaz), Nitrogenum (Nitrógeno) y ferrum (hierro). El proceso está basado en el fenómeno de la difusión de nitrógeno y carbono a través de un baño de sales calientes que se encargan de proporcionar estos elementos a la pieza tratada. Las temperaturas son muy similares a las utilizadas en un proceso de nitruración, entre 450 y 580 ˚C. La principal razón por la cual este método es ampliamente utilizado en la industria tiene que ver con la simplicidad del proceso y el bajo costo de los equipos.. 2.4.1 EL PROCESO TENIFER La nitrocarburización líquida es un proceso en el cual se someten las piezas a un baño de sales a una temperatura (450-580˚C) por debajo de la temperatura de austenización. Las sales tienen como componente principal los cianatos, los cuales son producidos mediante la reducción de cianuros por medio de la oxidación. Existen dos tipos de sales, una con alto contenido de cianuros y otra con bajo contenido. El problema que existe con las sales de alto contenido de cianuro es que son tóxicas y por lo tanto contaminan el medio ambiente. Por otro lado las de bajo contenido de cianuro son más amigables con el medio ambiente. Una reacción catalítica es la encargada de romper los cianatos en presencia de los componentes del acero que está siendo tratado, suministrando carbón y nitrógeno a la superficie de la pieza. Al desprenderse el nitrógeno y el carbono de los cianatos se forman los carbonatos, los cuales son abastecidos de nitrógeno para la formación de nuevos cianatos. (1) (8). 25.

(27) Las piezas se deben precalentar antes de introducirlas en los baños. El porcentaje de cianato se debe mantener por encima del 25% mientras que el de carbonato no se debe sobre pasar del 25%, si se sobre pasa hay que enfriar la pieza hasta 455˚C para que se sedimente y se pueda sacar. Generalmente las sales tienen una vida útil entre 3 y 4 meses dependiendo de la calidad. Al retirarse las sales se debe hacer uso de unas neutralizaciones de los químicos que las componen por medio de un tratamiento con cloro. (8). 2.4.2 PARÁMETROS DEL PROCESO A diferencia del proceso de nitruración por plasma, el Tenifer no tiene tantos parámetros de control. Básicamente el proceso se puede controlar por medio de una composición de tipo sal (alto contenido de cianuros o bajo contenido), una temperatura de sostenimiento (entre 450 y 580˚C) y el tiempo del ciclo de tratamiento (Por lo general es de dos horas). Las propiedades microestructurales y mecánicas varían principalmente en función del tiempo que duren los ciclos y la temperatura de sostenimiento.. 2.4.3 VENTAJAS Y DESVENTAJAS Ventajas que ofrece el tratamiento (8) (1): . Alta calidad de las piezas tratadas: se obtiene una buena resistencia a la corrosión, los procesos son repetibles, el resultado del tratamiento es uniforme alrededor de las piezas, buena resistencia al desgaste.. . Facilidad del proceso: No necesita de equipos de alta tecnología para poder realizar el proceso lo que lo hace la inversión inicial sea menos costosa que para otros procesos de nitruración. Tiene pocos parámetros de control (tiempo, temperatura y tipo de sal) y por lo tanto hace que sea fácil de monitorear.. . Debido a que se trabaja a temperaturas por debajo de la de austenización, la estabilidad dimensional de la pieza es buena.. . Alta flexibilidad en los procesos: En un ciclo se pueden incluir piezas que requieran diferentes tiempos de tratamiento o que sean de diferente material. El rango de temperatura del proceso se puede escoger entre 480-630˚C y se pueden utilizar diferentes medios de enfriamiento.. Desventajas con este tratamiento: . Produce residuos tóxicos que contaminan el medio ambiente y que requieren de un costoso proceso de tratamiento para que no generen contaminación.. . Bajo control de las variables del proceso debido a que solo se manipula la temperatura, el tiempo y la composición del baño de sal. 26.

(28) . Produce piezas con mayor porosidad en comparación con otros procesos.. 3. METODOLOGÍA Y PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL En la Figura 13 se muestra un esquema del procedimiento experimental que se llevo a cabo en el trabajo. El primer paso del procedimiento experimental fue caracterizar el reactor de plasma que se utilizó para realizar los tratamientos de nitruración. El propósito de esta fase es demostrar que el proceso se puede controlar por medio de los parámetros para realizar experimentos que sean confiables y repetibles. Una vez se ha demostrado esta parte, se puede empezar la fase de exploración del tratamiento de nitruración por plasma. Para esto se seleccionó el acero AISI 4340 y sobre él se realizó una serie de experimentos que permitieron observar cómo se comportan las propiedades microestructurales y mecánicas del acero en función de la temperatura y el tiempo de tratamiento dejando los otros parámetros constantes. Finalmente se escogió el tratamiento para el cual se obtuvieron las mejores propiedades y se realizó sobre el acero AISI 4140. Después pasamos a la parte de comparación con el tratamiento de Tenifer, en donde se caracterizaron muestras de los aceros AISI 4140 y 4340 tratados por Tenifer por la industria y se compararon con el proceso de nitruración por plasma.. Objetivo. Caracterización del reactor de plasma. Fase de exploración sobre el acero 4340. Comparación con el proceso Tenifer.. Análisis de Resultados y conclusiones. Figura 13. Esquema general de la Metodología y Procedimiento experimental.. 3.1 CARACTERIZACIÓN DEL REACTOR DE PLASMA El objetivo de la caracterización del reactor es poder asegurar que el instrumento que se va a utilizar para efectuar los tratamientos de nitruración permite controlar los parámetros del proceso, para realizar experimentos que se puedan repetir y que aseguren unos resultados que sean confiables. En la primera 27.

(29) parte de la sección se describe el reactor de plasma con sus componentes principales. La segunda parte consiste en poner a punto el reactor por medio de una serie de cambios y verificando a través de unos protocolos que los parámetros (Por ejemplo: voltaje y temperatura) se pueden controlar para realizar experimentos que sean confiables y repetibles.. 3.1.1 CARACTERÍSTICAS DEL REACTOR DE PLASMA UTILIZADO EQUIPO PARA NITRURACIÓN POR PLASMA El equipo utilizado para nitruración por plasma consta de varios elementos que se describirán en las siguientes secciones de este capítulo. Para este proyecto de grado se utilizó un reactor de plasma que fue construido por medio de otros trabajos (5; 15; 6; 16) y se adecuó para poder realizar el proceso de nitruración. El equipo está compuesto por un sistema de alimentación eléctrica, un sistema de vacío, un sistema de gases y un sistema térmico. En la Figura 14 se puede observar un esquema general de todo el sistema.. Figura 14. Esquema del reactor de plasma utilizado para realizar los procesos de nitruración (6).. 28.

(30) SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ELÉCTRICA FUENTE DE VOLTAJE DE CORRIENTE DIRECTA PULSADA La fuente de voltaje es la encargada de producir la diferencia de potencial entre los electrodos. Para este proyecto contamos con una fuente de corriente directa pulsada que permite variar el voltaje desde 300 hasta 700 V y controlar el tiempo de encendido o apagado de la fuente (10-990 µs). Esta fuente fue diseñada para trabajar en la zona de descarga luminiscente anormal y por lo tanto es ideal para realizar procesos como la nitruración por plasma. La fabricación de este instrumento fue realizada por la compañía Brasilera SDS Ldta. En la Error! Reference source not found. se pueden ver las especificaciones generales de la fuente y en la Figura 15 una foto que muestra los componentes internos. Tabla 2. Especificaciones generales de la fuente de voltaje.. Marca Características Rengo de voltaje de salida Rango de T on pulsos Rango de Toff pulsos Alimentación. SDS Ltda. Brasil Fuente Pulsada de corriente directa 300-700 V 10-990 µs 990-10 µs 440V,60 Hz. Figura 15. Fotografía de la fuente de voltaje mostrando sus componentes internos.. ELECTRODOS Los electrodos son los encargados de generar la descarga debido a la diferencia de potencial a la que se encuentran. Existen diferentes configuraciones las cuales se observan en la Figura 16 y lo importante es seleccionar la configuración que mejor se adapte al proceso que se va a realizar. Para un proceso de nitruración por plasma se necesita que la pieza que se desea tratar esté en contacto con el cátodo, debido a que el bombardeo de iones se realiza sobre este electrodo.. 29.

(31) Figura 16. Configuraciones posibles para los electrodos.. El primer paso fue escoger una configuración que mejor se adapte a los propósitos del proyecto. Para esto se tuvo en cuenta la posibilidad de medir la temperatura de una manera fija con el fin de poder medir la temperatura siempre en el mismo punto en todos los ensayos. Otro punto importante fue tener en cuenta la distancia entre los electrodos ya que de esto depende la generación o no de la descarga. La configuración escogida fue la que se puede observar en la Figura 17, donde el ánodo corresponde al cilindro y el cátodo corresponde al soporte vertical, en el cual se pretende introducir el termopar para medir la temperatura del proceso. La pieza que se desea nitrurar va puesta sobre el cátodo ya que es en este donde se genera el bombardeo de iones de nitrógeno y por lo tanto permite formar los nitruros en la capa superficial de la pieza de trabajo.. Figura 17. Configuración de electrodos utilizada.. 30.

(32) FUENTE AUXILIAR La Fuente auxiliar es la encargada de proporcionar energía a los flujómetros para permitir el control de la cantidad de gas que entra a la cámara. Para esto se dispone de unas perillas que permiten variar el voltaje de entrada (0-5 V) a los controladores de manera que se pueda regular la cantidad de flujo que entra a la cámara. Por otro lado también proporciona energía al manómetro encargado de medir la presión dentro del reactor. La Fuente corresponde a una Dual que proporciona ±15V y un generador de señal DC de 0-5 V. A continuación vemos una foto de la fuente, la cual fue diseñada y construida por Jaime Ramírez (15).. Figura 18. Fuente auxiliar de voltaje, diseñada y construida por Campo Fritz y Jaime Ramirez.. SISTEMA DE VACÍO Este sistema está compuesto por una cámara de vidrio, una bomba de vacío y un manómetro. A continuación se muestran las especificaciones generales de cada elemento.. CÁMARA DE VACÍO La cámara del reactor está compuesta por un cilindro de Borosicalato de diámetro 30 cm y altura 45 cm, una base y una tapa de acero inoxidable AISI 304 y un conjunto de o-rings que permiten el sellado entre los elementos. La cámara fue dimensionada para trabajar en presiones por arriba de 0.001mbar y temperaturas menores a los 800 ˚C. Dentro de la cámara podemos encontrar otros componentes como los electrodos, la lluvia de gases, los termopares, escudos térmicos, acoples de entrada y o-rings. Los escudos térmicos son los encargados de mantener la temperatura dentro de la cámara, la lluvia de gases se encarga de distribuir los gases dentro de la cámara y los acoples de entrada y o-rings son responsables del sellado de la cámara. A continuación en la Figura 19 se muestra un esquema de la cámara indicando los componentes que se encuentran dentro de ella.. 31.

(33) Figura 19. Esquema de la cámara del reactor (6).. BOMBA DE VACÍO La bomba es la encargada de generar el vacío dentro de la cámara permitiéndonos regular la cantidad de especies dentro del reactor a través de una válvula de control, en la Error! Reference source not found. se presentan las características generales. Tabla 3. Especificaciones generales de la bomba de vacío.. Marca Referencia. BOC EDWARDS (Wilmington, MA, U.S.A) E2M18. Características Etapas. Bomba de vacío de paletas rotativas Dos. Sello. De Aceite. Desplazamiento. 25. Velocidad de Bombeo. 20.3. Presión Final. 0.001mbar. Puerto de Admisión Peso. NW 25 36 kg. Capacidad de aceite Potencia. 0.75-1.05 Lt 220/440V,60 Hz, 0.75 kW. 32.