Introduccin

Los procesos termoqumicos son procesos de endurecimiento superficial por difusin. En este caso, se modifica la composicin qumica de la superficie de la pieza mediante un proceso termoqumico, el cual necesita calor para promover la difusin de una especie endurecedora hacia la superficie y regiones sub-superficiales de la pieza a tratar.

Este proceso de difusin modifica la composicin qumica de la superficie de la pieza, formando una capa dura.

La profundidad de la capa dura posee la siguiente relacin temperatura-tiempo:

En donde la constante de difusividad K, depende de la temperatura, la composicin qumica de la pieza y del gradiente de concentracin de la especie endurecedora. En trminos de temperatura, la constante de difusividad se incrementa exponencialmente con la temperatura absoluta. El gradiente de concentracin depende de la cintica superficial y reacciones del proceso en particular.

Nitruracin

Es una tcnica de endurecimiento superficial de aleaciones ferrosas en el que se consiguen durezas extraordinarias en la periferia de las piezas por absorcin de nitrgeno en una atmsfera de amonaco y sin la necesidad de un temple final.

Las piezas que se desean nitrurar son siempre templadas y revenidas antes de la nitruracin. La nitruracin se realiza en una atmsfera de amonaco a 500-575 C, durante 20 a 80 horas. Se alcanzan profundidades de capa de 0.20 a 0.70 mm y durezas de hasta 70 HRC. Dado que despus de la nitruracin las piezas ya adquieren dureza superficial, no es necesario enfriarlas rpidamente desde la temperatura de nitruracin. Esto evita las deformaciones provenientes del enfriamiento rpido. Adems, siempre que la temperatura de nitruracin sea inferior la temperatura de revenido, las propiedades mecnicas del ncleo de la pieza quedarn inalteradas y sern las mismas a las obtenidas previamente del tratamiento de temple y revenido. Por ser relativamente baja la temperatura de nitruracin, no hay crecimiento grano. Tampoco es necesario someter las piezas nitruradas a ningn tratamiento de regeneracin posterior.

Los pasos completos del proceso de nitruracin suelen ser los siguientes:

a) Mecanizado de las barras laminadas o piezas en bruto de forja o estampado, dejando un exceso de 2 mm sobre las medidas finales.

b) Temple y revenido a una temperatura tal que el ncleo consiga la dureza o resistencia deseada.

c) Mecanizado final de las piezas, dejndolas casi exactamente a las medidas finales.

d) En algunos casos se somete a las piezas a un tratamiento a 500-600 C (temperatura inferior a la de revenido) para eliminar las tensiones de mecanizado.

e) Proteccin de las superficies que no se quiere endurecer y desengrasado. f) Nitruracin. g) Ligero rectificado final (opcional).

Ventajas de la Nitruracin

1. GRAN DUREZA. Luego de la nitruracin, se pueden conseguir durezas de hasta 1100 Vickers, mayor a las posibles por cementacin.

2. GRAN RESISTENCIA A LA CORROSIN. Despus de la nitruracin, los aceros tienen mayor resistencia a la corrosin por agua dulce, agua salada, vapor o atmsferas hmedas. En caso que interese la mxima resistencia a la corrosin, no deben rectificarse las piezas despus de nitruradas.

3. AUSENCIA DE DEFORMACIONES. Debido a que no es necesario realizar un enfriamiento rpido desde la temperatura de nitruracin.

4. ENDURECIMIENTO EXCLUSIVO DE DETERMINADAS SUPERFICIECS DE LAS PIEZAS. Durante la nitruracin se pueden proteger perfectamente 1as superficies de las piezas que no se desea endurecer, aunque sean de formas complicadas e irregulares.

5. RETENCIN DE DUREZA A ELEVADAS TEMPERATURAS. Las capas nitruradas conservan gran dureza hasta los 500 C, especialmente cuando la duracin del calentamiento no es muy prolongada, segn se muestra en la Figura 1. Esa propiedad es interesante para piezas de mquinas en donde pueda ocurrir sobrecalentamientos accidentales, por ejemplo, por falta de lubricacin. En caso de tratarse un acero cementado, un incremento de temperatura disminuira la dureza, pudiendo agarrotar

el mecanismo.

FIGURA 1

Teora de la nitruracin

En un principio, para lograr una nitruracin efectiva en los aceros al carbono, es condicin necesaria cumplir al menos con los siguientes factores:

a) La temperatura de nitruracin debe ser inferior a la del eutectoide:

Si se nitrura un acero al carbono extradulce (sin aleantes) a 700C en una atmsfera de amonaco, se obtendra una capa relativamente dura, pero tan frgil que el proceso no tendra aplicacin industrial. La principal causa de esa gran fragilidad es la aparicin del eutectoide braunita que se forma cuando la nitruracin se realiza a temperatura superior a 590C.

FIGURA 2

El mecanismo de nitruracin difiere bastante al de cementacin. En la cementacin se emplean temperaturas elevadas (mayores a la eutectoide) para facilitar la solubilidad del carbono en la austenita. La nitruracin se efecta a menores temperaturas (alrededor de 500C), inferiores a la eutectoide braunita (ver figura 2) en las que el porcentaje de nitrgeno que se puede disolver en el acero ferrtico es muy pequeo. No se emplean temperaturas ms elevadas, porque se obtendran capas nitruradas muy frgiles sin utilidad prctica industrial.

b) Es necesaria la presencia de aleantes formadores de nitruros:

En un acero al carbono ordinario, la difusin del nitrgeno hacia el interior se efecta con ms facilidad que en los aceros aleados. Sin embargo, se obtendran durezas superficiales inferiores a los 60 HRC. Esta dureza se incrementa hasta 70 HRC (1000HV) si el acero presenta aleantes formadores de nitruros (Al, Cr, Mo, V). Adems, la adherencia de la capa se incrementa significativamente.

Microestructura de la Capa Nitrurada

La capa nitrurada posee las siguientes zonas distintivas: La capa blanca, la zona de difusin, la zona de transicin, y el ncleo, segn se muestra en la Figura 3.

FIGURA 3

La CAPA BLANCA recibe este nombre por el color que toma cuando se la ataca con Nital. Est constituida por las fases y ' y tiene un espesor tpico de hasta 25 m. La concentracin de cada fase depende de la composicin qumica del acero, principalmente el contenido de carbono, y de la temperatura, composicin del gas y tiempo de nitruracin. Esta capa es muy dura y quebradiza y no es deseada en la nitruracin, pudiendo ser removida con un ligero mecanizado en caso de ser necesario.

La ZONA DE DIFUSIN est inmediatamente por debajo de la capa blanca. Esta regin est conformada por nitruros estables provenientes de la reaccin entre el nitrgeno y los elementos formadores de nitruros que contenga el acero. El espesor tpico llega a 1 mm, y depende de la temperatura y tiempo del proceso. Es sta regin la que le confiere las propiedades de dureza y resistencia a la fatiga de las capas nitruradas.

La ZONA DE TRANSICIN, como su nombre lo indica, corresponde a un gradiente de microestructuras intermedios entre la zona de difusin y la microestructura del ncleo de la pieza. Esta zona no siempre es visible por medio de la microscopa.

La microestructura del NUCLEO consiste en martensita revenida. Se considera que la dureza del ncleo es la misma que la obtenida luego del temple y revenido.

Composicin de los aceros de nitruracin

Los elementos de aleacin ms comnmente usados en la prctica de la nitruracin de los aceros son: Al, Cr, V, W y Mo. Todos ellos son formadores de nitruros estables a la temperatura de nitruracin. El carbono se encuentra en el rango de 0.20 a 0.60%. Su funcin es la de proveer las caractersticas mecnicas al ncleo de la pieza, y no tiene influencia directa en la profundidad y dureza de la capa nitrurada. El aluminio es el aleante ms importante cuando se quieren conseguir las mximas durezas. Generalmente se limita su contenido a un mximo de 1.5% y debe ir acompaado de otros aleantes. Si no se cumple alguna de estas condiciones, la capa nitrurada resultante ser demasiado frgil. El molibdeno forma nitruros

estables a la temperatura de nitruracin, aumentando la dureza de la capa exterior. Adems, mejora la tenacidad del ncleo y evita la fragilidad que presenta los aceros sin molibdeno al permanecer mucho tiempo a temperaturas de alrededor de 500 C. El cromo y el vanadio aumentan la profundidad de capa e incrementan la influencia del aluminio y del molibdeno.

La Tabla 1 muestra la composicin qumica de los aceros al carbono ms empleados en la nitruracin:

TABLA 1

Instalaciones de nitrurar

Los elementos necesarios para efectuar la nitruracin son: el horno de tratamiento, la caja de nitrurar, un tubo de amoniaco y un aparato para medir la disociacin del gas. Figura 4.

Los hornos de tratamiento suelen ser casi siempre elctricos con regulacin automtica de temperatura.

La caja donde se colocan las piezas a nitrurar, suele ser de nquel, acero inoxidable austentico o hierro esmaltado. La caja llevar tres tubos, uno en la parte inferior para la entrada del amoniaco, otro en la parte superior de salida y el tercero, cerrado, para el par del pirmetro. El cierre de la caja debe ser hermtico, a fin de contener la atmsfera nitrurante.

Junto al horno se colocar una botella de amoniaco, conectada con el tubo de entrada de gas a la caja. El tubo de salida ir a dos frascos lavadores llenos de agua, en los que el burbujeo servir para tener una idea del consumo del gas.

FIGURA 4

Aplicaciones

La nitruracin se aplica principalmente a piezas que son sometidas regularmente a grandes fuerzas de rozamiento y de carga, tales como pistas de rodamientos, camisas de cilindros, rboles de levas, engranajes sin fin, etc. Estas aplicaciones requieren que la piezas tengan un ncleo con cierta plasticidad, que absorba golpes y vibraciones, y una superficie de gran dureza que resista la friccin y el desgaste.

Nitrocarburacin

La nitrocarburacin, o nitrocarburacin ferrtica, es un proceso modificado de nitruracin y no una forma de carburizacin. En la nitrocarburacin, tanto nitrgeno como carbono (en menor cantidad) se introducen en forma simultnea en el acero en fase ferrtica.

Este proceso se aplica en forma exitosa a la mayora de los metales ferrosos, incluyendo aceros al carbono forjados, obtenidos de metalurgia de polvos, aceros de corte libre, microaleados, aleados, aceros para herramientas, aceros inoxidables y fundiciones.

La dureza de la capa dura es de 60 a 72 HRC, y tiene excelentes propiedades antirallado y resistencia al desgaste, con distorsin mnima.

El tratamiento puede ser llevado a cabo en un bao de sales lquido, o en una atmsfera gaseosa. ltimamente est teniendo mayor participacin la nitrocarburacin por plasma.

Microestructura de la Capa Nitrocarburada

La capa blanca, superficial, est compuesta por un carbonitruro de hierro (fase ) que se forma entre 490 y 590C. El espesor de la capa blanca est entre 10 y 40 m en general, y depende de la temperatura, composicin del gas y velocidad de flujo del gas. La capa blanca en la nitrocarburacin en general es continua y le confiere buenas propiedades a la capa dura.

Debajo de la capa blanca se encuentra la zona de difusin, compuesta por nitruros de hierro y nitruros de algunos elementos de aleacin y nitrgeno absorbido. El espesor total (capa blanca ms zona de difusin) puede llegar a ser 1 mm.

Nitrocarburacin lquida

La nitrocarburacin lquida comenz a usarse en la dcada de 1940, empleando baos de sales con alto contenido de cianuros. Problemas medioambientales y costos asociados en el tratamiento de efluentes llevaron al desarrollo de baos de sales con bajo cianuro, no txicos.

Los principales componentes del bao son sales de cianuros y cianatos de metales alcalinos, predominantemente sodio y potasio.

En general, el proceso consiste de los siguientes pasos:

a) Precalentamiento en aire hasta 350C.

b) Nitrocarburacin en bao de sales a 570-580C por 1-2 horas.

c) Enfriamiento intermedio a 400C.

d) Enfriamiento a temperatura ambiente.

e) Limpieza

Existe una gran cantidad de procesos de nitrocarburacin lquida que son variaciones de los pasos recin mencionados, dando como resultados a tcnicas patentadas que se aplican casi exclusivamente a un tipo de pieza en particular.

Nitrocarburacin Gaseosa

Al igual que la nitrocarburacin lquida, existen varios procesos patentados de usos particulares. En general, se puede decir que el tratamiento se realiza a 450-590C, por 1-3 horas, en una atmsfera de amonaco y gas endotrmico (por ejemplo, una mezcla de 50-50 de cada uno).

No se har hincapi en este proceso, ya que la teora bsica es la misma a los procesos ya explicados anteriormente.

Aplicacin

Los campos de aplicacin para la nitro carburacin son los mismos que en el caso de la cementacin, ya que son procesos muy parecidos que proporcionan piezas con caractersticas similares. Bsicamente se aplica en piezas que requieran una gran ductilidad y tenacidad (aportadas por el ncleo) a la vez que una gran resistencia al desgaste (aportada por la capa exterior). Algunos ejemplos son piones, coronas, ejes, levas, guas, chavetas, etc.

Carbonitruracin

La carbonitruracin es un proceso modificado de carburizacin, y no una forma de nitruracin. Involucra la difusin de carbono y nitrgeno a la superficie exterior del acero, formando la capa dura por accin de ambos elementos. Puede ser llevado a cabo en la atmsfera gaseosa de un horno (carbonitruracin gaseosa) o en un bao de sales (carbonitruracin lquida o cianuracin). El procesamiento por plasma es ms reciente, y tambin se lo emplea en la carbonitruracin de los aceros.

En general, la carbonitruracin se realiza a menores temperaturas que la carburizacin gaseosa, entre 775- 900C contra 870-1065C, respectivamente. Los perodos de tiempo tambin son ms cortos. Si se combinan estos parmetros con el hecho de que el nitrgeno inhibe la difusin del carbono, la carbonitruracin resulta en capas ms duras pero de menor profundidad que en la carburizacin gaseosa.

Los aceros carbonitrurados conservan luego del revenido, durezas ms elevadas que los cementados, debido a la presencia del nitrgeno en la capa dura. Generalmente es necesario emplear temperaturas de revenido ms altas que en la cementacin para alcanzar la misma dureza. Otra propiedad interesante de los aceros carbonitrurados, es su mayor resistencia al ablandamiento y al desgaste a alta temperatura, cuando las piezas deban trabajar en caliente.

Carbonitruracin Gaseosa

El equipo necesario para realizar la carbonitruracin gaseosa est compuesto por un horno de cmara, retorta o mufla. En l se introduce el gas endotrmico y amonaco, que son las fuentes de carbono y nitrgeno, respectivamente. Cualquier equipo que sirva para la carburizacin gaseosa puede ser utilizado para carbonitrurar, ya que slo es necesario agregar de 2 a 12% de amonaco a la misma atmsfera empleada en la carburizacin gaseosa.

Ejemplos de aceros comnmente carbonitrurados son de la serie 1000, 1200, 1300, 1500, 4000, 4100, 4600, 5100, 6100, 8600, 8700, con contenidos de carbono de hasta 0.50%. Se logran profundidades de capa de hasta 0.75mm en el rango de temperaturas de 760 a 870C (menor que en la carburizacin gaseosa). Se alcanzan durezas superficiales de 60 a 65 RC.

Una de las ventajas ms importantes de la carbonitruracin es que el nitrgeno absorbido por el acero disminuye la velocidad crtica de temple. Es decir, la capa perifrica del acero carbonitrurado tiene mayor templabilidad que cuando el acero ha sido sometido a carburizacin gaseosa.

Efecto de la temperatura y del tiempo en el espesor de capa

La Figura 5 muestra el efecto de la temperatura y del tiempo en el espesor de la capa carbonitrurada. Se observa que tanto la temperatura como el tiempo incrementan la profundidad de la capa carbonitrurada.

FIGURA 5

La uniformidad en el espesor de la capa depender de la uniformidad en la temperatura del horno, recirculacin y reabastecimiento adecuado de la atmsfera.

Carbonitruracin Lquida - Cianuracin

Se emplea para endurecer superficialmente pequeas piezas de aceros de bajo y medio carbono, con o sin aleacin. Al igual que en la carburizacin lquida, en la carbonitruracin lquida o cianuracin la pieza es inmersa en un bao de sales carburizantes. Ambas tcnicas son similares. Se distinguen entre s por la profundidad y composicin qumica de la capa producida, segn se muestra en la Tabla 2.

TABLA 2

En la Tabla 2 se puede observar las bajas profundidades de capas asociadas a la cianuracin, siendo sta su principal desventaja.

En la cianuracin el contenido de nitrgeno de la capa es mayor que en la carburizacin lquida. Esto se logra incrementando el contenido de cianuros en el bao de sales. De esta forma, el proceso de cianuracin emplea baos de sales con la composicin qumica que se muestra en la Tabla 3.

TABLA 3

La mezcla grado 30 es una de las ms empleadas. Las sales de carbonato y cloruro sdico son inertes en el bao y se agregan para controlar la temperatura de fusin de la mezcla, como as tambin mejorar la fluidez del bao fundido.

Aplicaciones

La carbonitruracin se aplica con xito a los componentes producidos en forma masiva en general, y a aquellos de dimensiones ms pequeas que requieren una gran resistencia al desgaste y en los que los requisitos de profundidad varan entre 0,1 y 0,75 mm como mximo. Las aplicaciones habituales incluyen:

engranajes y ejes

pistones

rodillos y cojinetes

palancas de sistemas accionados hidrulica, neumtica y mecnicamente.

Bibliografa

http://cienciamateriales.files.wordpress.com/2012/08/endurecimiento-

superficial.pdf

STURLA, TRATAMIENTOS TERMICOS DE LOS ACEROS, CAPITULO: CARBONITRURACION

http://www.sumiteccr.com

http://www.trateriber.es/pdf/Nitruracion.pdf