Nitruración de Dientes de Engranajes en un Plasma de N 2 -H 2 -CH 4

http://www.materia.coppe.ufrj.br/sarra/artigos/artigo10168

Nitruración de Dientes de Engranajes en un Plasma de N

-H

-CH

M.A. Béjar, C. González

Universidad de Chile

Departamento de Ingeniería Mecánica

Casilla 2777, Santiago-Chile, E-mail: abejar@cec.uchile.cl

RESUMEN

En este trabajo se nitruraron iónicamente dientes de engranaje de módulos 1, 2 y 3, fabricados de acero SAE 4140, mediante un plasma d.c. de 80%N2+19%H2+1%CH4. Las condiciones operativas del proceso fueron: temperatura, entre 480 y 570 °C;

duración, entre de 2 y 5 h y presión, entre 2 y 12 mm Hg. Se determinó cómo influyen estas condiciones tanto en el espesor de la capa compuesta como en la microdureza de los dientes.

Palabras clave: Nitruración, plasma, endurecimiento, engranajes

ABSTRACT

In this work, 1, 2 and 3 mm module gears teeth, made of SAE4140 steel, were ion- nitrided in a d.c. plasma of 80%N2+19%H2+1%CH4. The nitriding conditions were: 480-570 ºC temperature; 2-5 h duration; and 2-12 mm Hg

pressure. The influence of nitriding conditions on compound-layer thickness and on teeth surface microhardness, was determined.

Keywords: Plasma nitriding, hardening, gears

1. INTRODUCCIÓN

Existen varios tratamientos termo-químicos que, mediante la incorporación de ciertos elementos químicos, permiten mejorar el comportamiento funcional de muchos componentes mecánicos de acero. Con esta incorporación, normalmente se genera una capa superficial de dureza mucho mayor que la del material original, lo que permite mejorar la resistencia tanto a la fatiga como al desgaste del componente. Entre los tratamientos más conocidos utilizados con este fin están: cementación, que incorpora carbono; nitruración, que incorpora nitrógeno; y carbonitruración, que incorpora carbono y nitrógeno [1]. En el caso de la nitruración, el tratamiento generalmente se realiza ya sea en atmósferas gaseosas a base de amoníaco disociado, o en sales fundidas a base de cianuro/cianato [2]. El uso de plasma como atmósfera nitrurante es una tecnología desarrollada en Alemania a comienzos de la década del 30 [3], pero cuya utilización industrial comenzó sólo en la década del 70. En Chile, esta tecnología fue implementada experimentalmente en la Universidad de Chile, a comienzo de la década del 80 [4], y a la fecha existe en el país cierta capacidad instalada para efectuar tratamientos de nitruración iónica a escala semi-industrial [5].

Para realizar la nitruración por plasma se necesita, básicamente, el siguiente equipamiento: un recipiente de vacío con un sistema de bombeo que permita obtener una presión entre 1-10 mm Hg, un suministro de gases, una unidad de potencia eléctrica para producir una descarga luminosa (glow-discharge), y un sistema de control del proceso. El proceso consiste, fundamentalmente, en ionizar una atmósfera gaseosa a baja presión que contenga nitrógeno, mediante la aplicación de un alto voltaje entre un ánodo, que puede ser el cuerpo del recipiente de vacío, y la pieza a nitrurar, conectada como cátodo. En el caso de piezas relativamente pequeñas, sólo con el calentamiento provocado por el bombardeo iónico, la pieza alcanza la

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temperatura adecuada para el proceso, la que normalmente es inferior a los 600 ºC. En caso de piezas grandes, el calentamiento debe ser asistido por algún sistema de potencia adicional.

En general, las atmósferas que más se han utilizado en nitruración iónica han sido las mezclas de nitrógeno e hidrógeno [4 -11]. Según Edenhofer [13], el proceso se basa en la formación en la superficie de la pieza, del nitruro FeN, el que por ser inestable a la temperatura del proceso, se transforma en nitruros de menor contenido de nitrógeno (Fe2-3N, Fe4N). De esta

forma se genera nitrógeno monoatómico, el que en parte difunde hacia el interior de la pieza, para formar nitruros con algunos elementos de aleación del acero (Cr, Al, V, W, Mo), y en parte difunde hacia el plasma.

Algunos autores han observado que la composición de la atmósfera del plasma tiene influencia en los resultados del tratamiento de nitruración. Por ejemplo, al utilizar mezclas de 25%N2+75%H2 existe formación de capa compuesta, en tanto

que con mezclas 2%N2+98%H2 esta capa no se forma, [4]. Por otro lado, con estas atmósferas de sólo nitrógeno más

hidrógeno, se produce algún grado de descarburi-zación [10] por la formación de CH1-3 [15], lo que hace disminuir la

microdureza en la superficie de las piezas nitruradas [4-7].

En este trabajo se utilizó un plasma de nitrógeno, hidrógeno y metano, a fin de disminuir el efecto descarburizante de los plasmas de sólo nitrógeno más hidrógeno. Se estudió la influencia que dicho plasma tiene tanto en el espesor de la capa compuesta como en la dureza de dientes de engranajes.

2. DESARROLLO EXPERIMENTAL

Probetas de acero SAE 4140 (0.4%C-1%Cr-0.65%Mn-0.2%Mo), bonificado por temple y con una microdureza entre 320 y 340 HV, fueron nitruradas iónicamente en una atmósfera de 80%N2+19%H2+1%CH4. Las probetas se construyeron de

barras de 14 mm de diámetro y 40-45 mm de largo, a cada una de las cuales se les mecanizó tres dientes de cremallera (Fig.1) de distinto tamaño: de módulos (M) 1, 2 y 3 mm. La nitruración iónica se realizó con corriente continua, a las temperaturas (T) de 480, 525 y 570 °C, por tiempos (t) de 2, 3 y 5 h, y a presiones (P) de 2, 5 y 12 mm Hg.

Figura 1. Esquema de los dientes

A todas las probetas nitruradas se les midió el espesor de la capa compuesta en tres zonas típicas de los dientes: en la zona externa (ZE); en la zona media (ZM); y en la zona de fondo (ZF). Además, a los dientes se les midió la microdureza superficial de la capa compuesta y se les determinó su perfil de microdureza.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Espesor de la Capa compuesta

En las Figs. 2 y 3 se muestran los valores del espesor de la capa compuesta para la zona externa, la zona media y la zona de fondo, para nitruraciones realizadas a 570 ºC, 12 mm Hg y con tiempos de 2 y 5 h, respectivamente. En la Fig.4 se muestra la influencia de la temperatura en el espesor de esta capa (medido en la zona media ZM), en tanto que en la Fig.5 se muestra la influencia de la presión.

En las Figs.2 y 3 se puede observar que el espesor de la capa compuesta no fue uniforme a lo largo del diente: el espesor aumentó desde el fondo hacia la punta. Esta no-uniformidad del espesor se explica por la no-uniformidad del campo eléctrico a lo largo del diente, como consecuencia del efecto de cavidad que se produce entre los dientes [12]. Debido a esto, el tratamiento es menos efectivo en la zona interna de los dientes, debido a una menor densidad de corriente y, por lo tanto, de un bombardeo iónico menos efectivo. Además, al comparar las mismas Figs.2 y 3 se constata que el espesor de la capa compuesta aumentó con la duración del tratamiento de nitruración. En la Fig.5 se observa que el espesor de esta capa también aumentó con la presión del tratamiento. Así, los mayores espesores de la capa compuesta se obtuvieron en la zona

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exterior de los dientes, para los tratamientos con mayor duración y mayor presión; en tanto que los menores espesores se obtuvieron en la zona interior, para los tratamientos de menor duración y menor presión. Por otro lado, no se encontró que el tamaño de los dientes (Figs.2-5) ni la temperatura del proceso (Fig.4) tuvieran una influencia significativa en el espesor de la capa. 0 10 20 30 40 50 ZF ZM ZE

Espesor Capa Compuesta,

µm

M=1 M=2 M=3

Figura 2. Espesor de la capa compuesta en las distintas.

T=570 ºC, P=12 mm Hg, t=2 h 0 10 20 30 40 50 ZF ZM ZE

Es

pesor Ca

pa Com

puesta

,

µm

Figura 3. Espesor de la capa compuesta en las distintas.

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Espesor Capa Compuesta,

µm

M=1 M=2 M=3

Figura 4. Influencia de la temperatura en el espesor de la capa compuesta: P=12 mm Hg, t=5 h, ZM

0 10 20 30 40 50 2 5 12 Presión P, mm Hg

Espesor Capa Compuesta,

µm

M=1 M=2 M=3

Figura 5. Influencia de la presión en el espesor de la capa compuesta: T=570 ºC, t=5 h, ZM

Composición de la capa compuesta

En relación con la composición de la capa compuesta, en la Fig.6 se muestra el espectro de rayos X obtenidos de una muestra nitrurada a 525 ºC, durante 3 h a 12 mm Hg. En la misma figura se han indicado los distintos nitruros que normalmente aparecen en este tipo de capa. Claramente, en el caso de este estudio, en la capa compuesta predominó el nitruro Fe3N. Este resultado sería una consecuencia de la composición del plasma utilizado, puesto que, por ejemplo, al

nitrurar este mismo acero (SAE 4140) en plasmas de sólo nitrógeno más hidrógeno, también se forma el nitruro Fe4N [5

-11-14]. Por otra parte, en la misma Fig.6 se observa que en la capa compuesta apareció cromita (FeCr2O4). La formación de

este compuesto podría haber sido evitada, si las probetas hubieran sido sometidas, previo a la nitruración, a una limpieza superficial, por ejemplo mediante bombardeo iónico con argón. La importancia de llegar a obtener capas compuestas monofásicas radica en que este tipo de capas son menos frágiles que las típicas capas polifásicas [13].

Microdureza superficial de la capa compuesta

En las Figs.7-9 se muestra la influencia del tiempo, de la temperatura y de la presión del proceso de nitruración, en la microdureza superficial de la capa compuesta.

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Figura 6. Espectro de rayos X de probeta nitrurada a: T=525 ºC, t=3 h, P=12 mm Hg

0 200 400 600 800 1000 0 1 2 3 4 5 6 Tiempo, h Microdureza, HV

Figura 7. Influencia del tiempo de nitruración en la microdureza superficial: T=570 ºC, P=12 mm Hg,

Matéria, 8, 2 (2003), M.A. Béjar, C. González 0 200 400 600 800 1000 460 480 500 520 540 560 580 Temperatura t, ºC Mic rodurez a, H V

Figura 8. Influencia de la temperatura en la microdureza superficial: P=12 mm Hg, t=5 h, M=3, ZM

0 200 400 600 800 1000 0 5 10 15 Presión P, mm Hg M ic rodurez a, HV

Figura 9. Influencia de la presión en la microdureza superficial: T=570 ºC, t=5 h, M=3, ZM

En las figuras anteriores se observa que el valor máximo de la microdureza superficial de la capa compuesta fue de aproximadamente 1000 HV, valor que es similar al valor máximo que se obtiene con atmósferas nitrurantes sin metano [4] (ver Fig.10). Sin embargo, entre ambas atmósferas, existe una gran diferencia en el valor de los parámetros operativos con los que se obtiene dicha microdureza. En la nitruración sin metano, la microdureza superficial máxima se consigue cuando los valores de tiempo, de temperatura y de presión son bajos, (por ejemplo: 2 h, 500 ºC y 1 mm Hg respectivamente), correspondiendo a condiciones para las cuales se obtienen capas compuestas de pequeño espesor (10 µm) [4]. En nuestro caso, al nitrurar en atmósfera con metano, la microdureza superficial máxima se logró para valores mayores de dichos parámetros: 5 h, 525-560 ºC y 12 mm Hg respectivamente, valores para los cuales el espesor de la capa compuesta fue relativamente grande (30-40 µm).

Además, en nuestro caso, al trabajar con metano, la microdureza superficial siempre aumentó con la duración del tratamiento, tal como se muestra en la Fig.7, lo que no ocurre en atmósferas sin metano. En atmósferas de sólo nitrógeno más hidrógeno [4], la microdureza primero aumenta rápidamente hasta un valor máximo (2 h), luego disminuye hasta un valor mínimo (12 h) y posteriormente vuelve a aumentar, pero sin alcanzar el valor máximo inicial (24 h), tal como se muestra en la Fig.10. Esta disminución de la dureza en atmósferas sin metano se debería, a una descarburización superficial del acero, lo cual no ocurriría en nuestro caso.

Matéria, 8, 2 (2003), M.A. Béjar, C. González 0 200 400 600 800 1000 1200 0 5 10 15 20 25 30 Tiempo, h Microdureza, H V Superficie a 25 µm

Figura 10. Influencia del tiempo de nitruración en la microdureza superficial de la capa compuesta y en la

microdureza a una distancia de 25 µm desde la superficie (zona de difusión). Atmósfera: 25%N2+ 75%H2, T=525 ºC, P=2,2 mm Hg, [4]

La temperatura también tiene influencia en la microdureza superficial de la capa compuesta. De la Fig.8 se deduce que al aumentar la temperatura hasta los 525 ºC la microdureza aumenta hasta un valor máximo que se mantiene hasta los 570 ºC. Al nitrurar con atmósferas sin metano, la microdureza superficial alcanza un valor máximo a tempera-turas de aproximadamente 500 ºC y, como consecuencia de la descarburización, disminuye a temperaturas mayores [4].

En relación con la presión, para valores de hasta 5 mm Hg, en la Fig.9 se observa que la microdureza superficial es relativamente baja. Sólo a partir de los 5 mm Hg, la microdureza superficial aumenta significativamente.

Así, al utilizar metano los mayores valores de la microdureza superficial se obtienen para tiempos, temperaturas y presiones relativamente mayores a los utilizados en nitruración sin metano.

0 200 400 600 800 1000 1200 0 50 100

Distancia desde la superficie, µm

Microdureza, HV

150

t=3 h t=5 h

Figura 11. Influencia del tiempo en el perfil de microdureza: T=570 ºC, P=12 mm Hg, M=3, ZM

Perfiles de microdureza

En las Figs. 11-13 se muestran los perfiles de microdureza obtenidos en la zona media de los dientes de módulo M=3, después de nitrurarlos bajo distintas condiciones de tiempo, de temperatura y de presión.

Matéria, 8, 2 (2003), M.A. Béjar, C. González 0 200 400 600 800 1000 1200 0 50 100 150

Distancia desde la superficie, µm

Micro-dureza, HV

T=480 ºC T=525 ºC T=570 ºC

Figura 12. Influencia de la temperatura en el perfil de microdureza: P=12 mm Hg, t=5 h, M=3, ZM

0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 0 5 0 1 0 0 1 5 0 D is t a n c ia d e s d e la s u p e r f ic ie , µ m Microdureza, H V P = 2 m m H g P = 5 m m H g P = 1 2 m m H g

Figura 13. Influencia de la presión en el perfil de microdureza: T=570 ºC, t=5 h, M=3, ZM

En estas figuras se observa que, con las condiciones de los tratamientos realizados, se obtuvo una microdureza máxima de 1100 HV a una profundidad de aproximadamente 20 m (en capa compuesta). Para una profundidad de 100 µm (zona de difusión) la microdureza fue de 400-500 HV.

4. CONCLUSIONES

Al nitrurar dientes de engranajes de acero SAE 4140 con una mezcla de 80%N2+19%H2+1%CH4, a

temperaturas entre 480 y 570 ºC, por tiempos entre 2 y 5 h, y a presiones entre 2 y 12 mm Hg, se deducen las siguientes conclusiones:

- El espesor de la capa compuesta no es uniforme a lo largo del diente. Las capas más gruesas tienen un espesor de aproximadamente 30 µm en la zona del fondo y de 45 µm en la zona exterior. Los mayores espesores se obtienen para las mayores duraciones y las mayores presiones del tratamiento.

- La máxima microdureza de la capa compuesta es de 1000-1100 HV, y se obtiene a las mayores temperaturas, a los mayores tiempos y a mayores presiones.

- En la capa compuesta se detectó predominan-temente la presencia del nitruro Fe3N, lo cual abre la

posibilidad de obtener capas monofásicas, con la consiguiente reducción de su fragilidad.

- La microdureza siempre aumenta con el tiempo y con la temperatura (hasta un cierto valor máximo).

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