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Procedimientos para agregar Nitrógeno al Acero

Prof: Bernardo Müllers Alumno: Oliver Jeanneret

Asignatura: Tratamientos TérmicosICM 445

Jueves 16 de Junio 2011



En un principio, comenzaremos con dar algunas propiedades del Nitrógeno. Es unelemento químico de la tabla periódica, corresponde a un no metal, numero atómico 7, masaatómica 14 [grs/mol]. Forma un 78% de la atmósfera terrestre. En condiciones normalesforma un gas biatómico, N2. Antiguamente se le conocía por el nombre de ³Ázoe´, su símbolofue Az.

La Nitruración es un procedimiento de endurecimiento superficial en el que por

absorción de Nitrógeno, se consiguen durezas extraordinarias en la periferia de las piezas deacero (incluso superiores a 70 HRC).Las ventajas de la nitruración son, como se dijo previamente, extraordinaria dureza

superficial, gran resistencia a la corrosión (en caso de que no se rectifique posteriormente, ypara los aceros inoxidables disminuye la resistencia a la corrosión, a costa de un aumento dela dureza), poquísima deformación, endurecimiento exclusivo de superficies a elección,retención de la dureza a alta T° (muy aplicado en herramientas, previene consecuencias demalas lubricaciones), superficie con bajísimo coeficiente de roce (esto también se da sólocuando no es rectificado después del proceso) y finalmente aumenta considerablemente laresistencia a la fatiga.

Principalmente existen 3 tipos de nitruraciones, gaseosa, nitruración por sales o

nitruración iónica o por plasma. Existen varios procesos para agregar nitrógeno, pero losotros son modificaciones de estos, o modificaciones de algún otro proceso.

Nitruración Gaseosa

La Nitruración Gaseosa es un proceso que se basa en las reacciones químicas del Amoníaco gaseoso. Consiste en someter una pieza de acero a Temperaturas de 570°C enun horno de atmósfera controlada, formada principalmente por Amoníaco. Se controla laTemperatura a 570°C. Previo a esta nitruración se recomienda hacerle a la pieza untratamiento de temple y revenido por 2 razones: la primera es para darle al núcleo laspropiedades deseadas, recordemos que la nitruración es solamente un proceso deendurecimiento superficial. La segunda es que se ha comprobado que la estructura en la quese obtienen mejores resultados de nitruración es la Martensita. En caso de nitrurar Ferrita, sehan observado casos de descarburación, que en caso de ser extrema, puede llevar a laseparación física de la capa nitrurada de la pieza. Generalmente se hace un rectificadoposterior después de la nitruración, básicamente por 2 razones: la primera es para remover la capa blanca (luego se explicará que es esto) y la segunda es para lograr precisionesdimensionales estrechas, cabe mencionar que la nitruración tiene a hinchar el acero por entrar intersticialmente en este, por eso se produce una mínima distorsión de las medidas.Este proceso es de duración extremadamente prolongada, penetrando aproximadamente 1[mm] de profundidad por cada 100 horas de proceso.

Al entrar el Amoníaco en el horno de nitruración se producen las reaccionessiguientes:

NH3 N + 3H2N N2 2H H2

Cabe mencionar que para poder introducir Nitrógeno en el Acero, éste se debe encontrar deforma naciente, es decir, recién saliendo de una reacción química, así se encuentra enestado atómico y puede ingresar. El Nitrógeno en estado biatómico, es decir 2 átomos juntos,tiene un volumen bastante mayor que el N naciente, haciendo esto imposible que pueda



entrar de manera intersticial. De no ser necesario el que esté en estado naciente omonoatómico, podríamos usar el Nitrógeno que está en el aire, pero lamentablemente no sepuede.

Es fundamental en este proceso el uso de un medidor de la disociación del amoníaco,la cual no puede ser 100%, debido a que en esta reacción se libera Hidrógeno, el cual tiendea descarburar el acero, lo que es negativo. Generalmente se trabajan con niveles entre 15 y

30% de disociación de Nitrógeno.Como se dijo anteriormente, en este proceso se puede seleccionar las capasdeseamos nitrurar. Para las que queremos proteger, se deben recubrir con una aleación deEstaño con Plomo. Se debe tener bastante cuidado en la colocación de las piezas en lascajas que se introducen en los hornos, ya que esta aleación tiene un bajo punto de fusión, lacual al posiblemente fundirse dentro del horno, podría caer sobre piezas que sí deseamosnitrurar y éstas terminarían intactas. Existe varias formas de sellar el horno al exterior, estonos asegura que no habrá contacto con aire, quien oxidaría y corroería rápidamente nuestroacero.

Terminando con la Nitruración gaseosa, cabe mencionar que ésta tiene una variantellamada ³Proceso Floe´ en nombre a su inventor. Este proceso disminuye el espesor de la

capa blanca. Para esto, se separa la nitruración en 2 etapas. En la primera se sometenuestro acero a Amoníaco con un 20% de disociación por entre 5 y 10 hrs, a 525°C. Luegoen la segunda parte, se aplica amoníaco con un 83 a 86% de disociación, a 560°C por eltiempo que se desee, según la penetración.

Nitruración por Sales

Este proceso también se conoce bajo el nombre de Cianuración, ya que trabaja concianuro, un compuesto químico altamente tóxico y mortífero. Este proceso tiene la gracia de,independiente de agregar Nitrógeno a la superficie, también agrega Carbono, por lo quegeneralmente se hace un tratamiento de temple posterior a este proceso. Se basa enintroducir una pieza de acero en una sal específica fundida. En la Cianuración se ocupanTemperaturas mayores, por lo tanto los tiempos deben ser menores, más adelanteexplicaremos por qué. En la nitruración por sales se ocupan variadas mezclas de sales, perola principal corresponde a 30% Cianuro de Sodio (NaCN), 40% Carbonato de Socio (CaNO3)y el 30% restante de sal común, NaCl (Cloruro de Sodio). Esta nitruración es relativamenteeconómica y tiene una penetración mucho mejor. Un buen ejemplo de esto es el casosiguiente: un acero de 0,65% Carbono sometido a este proceso por 45 minutos logra unapenetración de 0,1 [mm]. Esto se usa generalmente para piezas pequeñas que requierengran dureza superficial, como pernos, tornillos y tuercas.

Las reacciones que se producen en este proceso son las siguientes:

De oxidación:

Reacción catalítica:



Para la Cianuración es importante remover los residuos del proceso, debido a su altatoxicidad. Para ello se baña en cloro produciéndose las siguientes reacciones:

Este tipo de nitruración produce un aumento en la resistencia la fatiga de un 80-100%en los aceros al carbono y de un 25-35% en los aceros inoxidables.

Nitruración por Plasma

La nitruración por Plasma, también conocida como nitruración Iónica es un procesorelativamente moderno, mucho más nuevo que los vistos previamente. Consiste en someter a una pieza a intensos flujos de corriente eléctrica en una atmósfera controlada,principalmente compuesta por Nitrógeno. Destacan 2 etapas, una en que a 300 [volt] seproduce una aureola, y la otra en que a 500 [volt] se concentra mayor cantidad de Nitrógenoy la pieza brilla notablemente. Las temperaturas son de aproximadamente 500°C. Cabemencionar que este proceso es más caro ya que implica tecnología más avanzada, grandesflujos de corriente eléctrica y mantenciones frecuentes en los distintos elementos del sistema.Este proceso tiene varias ventajas, dentro de las cuales se encuentran un mejoramiento delcontrol del espesor de la capa blanca, menores temperaturas involucradas, produce menor distorsión, reduce el consumo de Energía, es automatizable y tiene una selección desuperficies a nitrurar superior a la de la nitruración por gas. Una de las desventajas de esteproceso es que se debe tener especial cuidado con las piezas pequeñas debido al posiblesobrecalentamiento que podría ocurrirles

Dentro de los componentes de un sistema de nitruración iónica se encuentran unabomba de vacío, termocuplas, Fuente de poder de corriente continua entre 0 ± 2000 [V] yuna unidad mezcladora y reguladora de gases.

En este proceso, el Nitrógeno biatómico al ser activado eléctricamente, se convierte endos Iones N+, cada uno de estos iones reacciona con el fierro y electrones, y se adsorbe enla superficie del metal, formando FeN, luego va liberando Nitrógeno que entra en lasuperficie, y se va transformando en Fe2N, luego Fe3N, luego Fe4N y finalmente queda comoFe y todo el N entró en la superficie.

Se observa que si en este proceso se aumenta mucho la composición de nitrógeno enel gas, se produce un engrosamiento de la capa blanca.



Diagrama Hierro ± Nitrógeno

Antes de desarrollar este tema, cabe aclarar que los nitruros desarrollados medianteeste proceso son de tamaño submicroscópico, lo que dificulta el estudio metalográfico deeste proceso. Es por esto que una técnica empleada para superar esta dificultad es ocupar temperaturas mayores a las que se debería, para obtener un crecimiento de grano mayor y

así poder realizar un buen estudio metalográfico. A continuación se muestra el diagrama Hierro-Nitrógeno

Las fases aquí presentes corresponden a:

Fase (): Fase en solución solida, Nitrógeno disuelto en el Hierro (Fe4N), solubilidad máx.0,11%, tiene estructura BCC

Braunita = Fase eutectoide ( + ´), tiene un 2,35% de Nitrógeno, se produce a Temperaturasmayores a 590°C, tiene estructura FCC

Fase (´) = corresponde al compuesto Fe4N, tiene un 5.69%N, no es frágil, se caracteriza por las agujas de nitruros, aparece en mayor cantidad en la nitruración por sales que en lagaseosa.

Fase () = Fe2N, posee gran fragilidad, es el principal constituyente de la capa blanca, poseemáx. 11,41%Nitrógeno.

Nitruro FeN = de estructura hexagonal compacta, solubilidad: 4,35% < FeN < 11%, apareceen los baños de sales

Del exterior hacia el interior aparecen las distintas fases en este orden:fase , + ´, ´, + ´, y luego la capa inalterada.



Capas

La primera es la capa compuesta, la más exterior. También se le conoce como capablanca. Es muy fina, entre 0.005 y 0.05 [mm], contiene nitruros µ, , y carbonitruros.Debe evitarse a toda costa por su gran fragilidad.

La segunda capa corresponde a la capa de difusión, es más oscura, destaca por las

agujas de los nitruros y puede tener entre 0,2 a 1,5 [mm] Aceros y Aleantes

Todos los aceros son nitrurables, pero no en todos se observan grandes variacionesde propiedades, especialmente en los aceros al carbono. Los aceros usados para ser nitrurados se componen de 0,2 ± 0,6% C, Al, Cr, Mo, V. Deben tener estos Aleantes porqueson estos con los que reacciona el Nitrógeno para formar carburos de alta dureza. Acontinuación daremos una lista de cómo afectan los Aleantes al acero nitrurable.

Carbono: nos da las propiedades del núcleo de la pieza, en caso de ser muy bajo se puede

producir descarburación de la pieza y conllevar esto a una separación de la capa nitrurada dela pieza.

Molibdeno: aumenta la dureza de la capa exterior por la formación de nitruros, mejora latenacidad del núcleo y evita la fragilidad de Krupp.

Nitrógeno: Mejora la resistencia mecánica, el límite elástico, aumenta resistencia en caliente,aumenta la dureza, aumenta la templabilidad, aumenta la resistencia al desgaste. Algunasde sus desventajas son: aumenta la fragilidad, tiene tendencia a la segregación, sensibilidadal envejecimiento y sensibilidad a la corrosión.

Aluminio: alrededor de 1,3% en aceros de nitruración, forma los nitruros más duros

Cromo: forma nitruros que aumentan la dureza, aumenta resistencia a la corrosión, laresistencia mecánica en caliente, aumenta la templabilidad, la resistencia a la fatiga, laresistencia al desgaste y la tenacidad. Potencia el efecto del Molibdeno y el Aluminio.

Vanadio: aumenta la Tenacidad, la resistencia mecánica en caliente e influye sobre laprofundidad de la capa nitrurada

Descarburación

Como se dijo previamente, la ferrita impide una buena nitruración de los aceros, quenos pueden conducir a una separación de la capa nitrurada de la pieza. Se debe tener especial cuidado con el Hidrógeno en la nitruración gaseosa, ya que este elemento puedeproducir descarburación en nuestro acero. Es por esto que no se trabaja con un 100% dedisociación del Amoníaco. Debido a que la descarburación es inevitable, generalmente seproduce un rectificado en el exterior de la pieza ya nitrurada, porque su dureza es máxima noen la superficie más exterior sino un poco más adentro. Finalmente me gustaría reiterar queal entrar el Nitrógeno intersticialmente nos produce un aumento de volumen el cual, en casode estrechas tolerancias, debe ser rectificado.

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