La nitruración es un proceso de tratamiento térmico que difunde nitrógeno en la superficie de un metal para crear una superficie cementada . Estos procesos se utilizan con mayor frecuencia en aceros de baja aleación. También se utilizan en titanio , aluminio y molibdeno .
Las aplicaciones típicas incluyen engranajes , cigüeñales , árboles de levas , seguidores de levas , piezas de válvulas , tornillos de extrusora , herramientas de fundición a presión , matrices de forja , matrices de extrusión , componentes de armas de fuego , inyectores y herramientas de moldes de plástico . [1]
Los procesos llevan el nombre del medio utilizado para la donación. Los tres métodos principales utilizados son: nitruración con gas , nitruración en baño de sales y nitruración por plasma .
En la nitruración gaseosa el donante es un gas rico en nitrógeno, generalmente amoníaco (NH 3 ), por lo que a veces se le conoce como nitruración de amoníaco . [2] Cuando el amoníaco entra en contacto con la pieza de trabajo calentada, se disocia en nitrógeno e hidrógeno. Luego, el nitrógeno se difunde sobre la superficie del material creando una capa de nitruro. Este proceso existe desde hace casi un siglo, aunque sólo en las últimas décadas ha habido un esfuerzo concentrado para investigar la termodinámica y la cinética involucradas. Los acontecimientos recientes han dado lugar a un proceso que puede controlarse con precisión. Se puede seleccionar el espesor y la constitución de fases de las capas de nitruración resultantes y optimizar el proceso para las propiedades particulares requeridas.
Las ventajas de la nitruración con gas frente a otras variantes son:
Las desventajas de la nitruración de gas son:
En la nitruración por baño de sal, el medio donador de nitrógeno es una sal que contiene nitrógeno, como la sal de cianuro . [ cita necesaria ] Las sales utilizadas también donan carbono a la superficie de la pieza de trabajo, lo que hace que el baño de sal sea un proceso de nitrocarburación. [ cita necesaria ] La temperatura utilizada es la típica de todos los procesos de nitrocarburación: 550 a 570 °C. [ cita necesaria ] Desafortunadamente, dado que las sales utilizadas son extremadamente tóxicas, las regulaciones ambientales y de seguridad modernas han hecho que este proceso caiga en desgracia. [ cita necesaria ]
Las ventajas de la nitruración de sal son:
Las desventajas son:
La nitruración por plasma, también conocida como nitruración iónica , nitruración iónica por plasma o nitruración por descarga luminosa , es un tratamiento industrial de endurecimiento de superficies para materiales metálicos.
En la nitruración por plasma, la reactividad de los medios de nitruración no se debe a la temperatura sino al estado ionizado del gas. En esta técnica se utilizan intensos campos eléctricos para generar moléculas ionizadas del gas alrededor de la superficie a nitrurar. Este gas altamente activo con moléculas ionizadas se llama plasma , nombre que da nombre a la técnica. El gas utilizado para la nitruración por plasma suele ser nitrógeno puro , ya que no se necesita descomposición espontánea (como es el caso de la nitruración con amoniaco). Hay plasmas calientes tipificados por chorros de plasma utilizados para corte, soldadura , revestimiento o pulverización de metales. También existen plasmas fríos, generalmente generados en el interior de cámaras de vacío , a regímenes de baja presión .
Por lo general, los aceros se tratan beneficiosamente con nitruración por plasma. Este proceso permite un control estricto de la microestructura nitrurada, permitiendo la nitruración con o sin formación de capas compuestas. No sólo mejora el rendimiento de las piezas metálicas, sino que también aumenta la vida útil, al igual que el límite de deformación y la resistencia a la fatiga de los metales que se tratan. Por ejemplo, las propiedades mecánicas del acero inoxidable austenítico, como la resistencia al desgaste, se pueden aumentar significativamente y la dureza superficial de los aceros para herramientas se puede duplicar. [3] [4]
Una pieza nitrurada por plasma suele estar lista para su uso. No requiere mecanizado, pulido ni ninguna otra operación posterior a la nitruración. Por tanto, el proceso es fácil de usar, ahorra energía ya que funciona más rápido y causa poca o ninguna distorsión.
Este proceso fue inventado por Bernhardt Berghaus de Alemania, quien más tarde se instaló en Zurich para escapar de la persecución nazi. Después de su muerte a finales de la década de 1960, el proceso fue adquirido por el grupo Klockner y se popularizó a nivel mundial.
La nitruración por plasma a menudo se combina con un proceso de deposición física de vapor (PVD) y un tratamiento dúplex etiquetado, con mayores beneficios. Muchos usuarios prefieren tener un paso de oxidación por plasma combinado en la última fase del procesamiento para producir una capa suave de óxidos de color negro azabache que sea resistente al desgaste y la corrosión.
Dado que los iones de nitrógeno se obtienen mediante ionización, a diferencia del gas o el baño de sal, la eficiencia de la nitruración por plasma no depende de la temperatura. De este modo, la nitruración por plasma se puede realizar en un amplio rango de temperaturas, desde 260 °C hasta más de 600 °C. [4] Por ejemplo, a temperaturas moderadas (como 420 °C), los aceros inoxidables se pueden nitrurar sin la formación de precipitados de nitruro de cromo y, por tanto, manteniendo sus propiedades de resistencia a la corrosión. [5]
En los procesos de nitruración por plasma, el gas nitrógeno (N 2 ) suele ser el gas portador de nitrógeno. También se utilizan otros gases como el hidrógeno o el argón . De hecho, se pueden utilizar argón e hidrógeno antes del proceso de nitruración durante el calentamiento de las piezas para limpiar las superficies a nitrurar. Este procedimiento de limpieza elimina eficazmente la capa de óxido de las superficies y puede eliminar finas capas de disolventes que podrían quedar. Esto también ayuda a la estabilidad térmica de la planta de plasma, ya que el calor agregado por el plasma ya está presente durante el calentamiento y, por lo tanto, una vez que se alcanza la temperatura del proceso, la nitruración real comienza con cambios menores de calentamiento. Para el proceso de nitruración también se añade gas hidrógeno para mantener la superficie libre de óxidos. Este efecto se puede observar analizando la superficie de la pieza sometida a nitruración (ver, por ejemplo, [6] ).
Ejemplos de aceros fácilmente nitrurables incluyen las series SAE 4100 , 4300, 5100, 6100, 8600, 8700, 9300 y 9800, grados de acero de calidad aeronáutica del Reino Unido BS 4S 106, BS 3S 132, 905M39 (EN41B), aceros inoxidables, algunos aceros para herramientas ( H13 y P20 por ejemplo) y determinadas fundiciones. Idealmente, los aceros para nitruración deberían estar endurecidos y revenidos, lo que requiere que la nitruración se realice a una temperatura más baja que la última temperatura de revenido. Lo mejor es un acabado superficial pulido o torneado fino. Se deben eliminar cantidades mínimas de material después de la nitruración para preservar la dureza de la superficie.
Las aleaciones de nitruración son aceros aleados con elementos formadores de nitruro como aluminio, cromo , molibdeno y titanio.
En 2015, se utilizó la nitruración para generar una microestructura dúplex única en una aleación de hierro y manganeso ( martensita - austenita , austenita - ferrita ), que se sabe que está asociada con propiedades mecánicas fuertemente mejoradas. [7]
En la década de 1920 se inició una investigación sistemática sobre el efecto del nitrógeno en las propiedades superficiales del acero. La investigación sobre la nitruración de gases comenzó de forma independiente tanto en Alemania como en Estados Unidos. El proceso fue acogido con entusiasmo en Alemania y se desarrollaron varias calidades de acero teniendo en cuenta la nitruración: los llamados aceros de nitruración. La recepción en Estados Unidos fue menos impresionante. Con tan poca demanda, el proceso quedó en gran medida olvidado en Estados Unidos. Después de la Segunda Guerra Mundial, el proceso se reintrodujo desde Europa. En las últimas décadas se han realizado muchas investigaciones para comprender la termodinámica y la cinética de las reacciones involucradas.