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  • Técnicas de Nitruración
    Dec 29, 2017

    La nitruración es un proceso de tratamiento térmico que difunde el nitrógeno en la superficie de un metal para crear una superficie endurecida. Estos procesos se usan con mayor frecuencia en aceros de baja aleación y baja emisión de carbono. También se usan en aceros de bajo y alto contenido de carbono, titanio, aluminio y molibdeno. En 2015, la nitruración se utilizó para generar una microestructura dúplex única (Martensita-Austenita, Austenita-ferrita), que se sabe que está asociada con propiedades mecánicas muy mejoradas.

    Las aplicaciones típicas incluyen engranajes, cigüeñales, árboles de levas, seguidores de levas, piezas de válvulas, tornillos de extrusión, herramientas de fundición a presión, matrices de forjado, matrices de extrusión, componentes de armas de fuego, inyectores y herramientas de moldes de plástico.


    Procesos

    Los procesos llevan el nombre del medio utilizado para donar. Los tres métodos principales utilizados son: nitruración con gas, nitruración con baño de sal y nitruración con plasma.


    Nitruración de gas

    En la nitruración gaseosa, el donante es un gas rico en nitrógeno, generalmente amoníaco (NH 3 ), por lo que a veces se lo conoce como nitruración de amoníaco. Cuando el amoníaco entra en contacto con la pieza de trabajo calentada, se disocia en nitrógeno e hidrógeno. El nitrógeno luego se difunde sobre la superficie del material creando una capa de nitruro. Este proceso ha existido durante casi un siglo, aunque solo en las últimas décadas se ha realizado un esfuerzo concentrado para investigar la termodinámica y la cinética involucradas. Los desarrollos recientes han llevado a un proceso que puede controlarse con precisión. La constitución de espesor y fase de las capas de nitruración resultantes se puede seleccionar y el proceso se puede optimizar para las propiedades particulares requeridas.


    Las ventajas de la nitruración gaseosa sobre las otras variantes son:

    ● Control preciso del potencial químico del nitrógeno en la atmósfera de nitruración mediante el control de la tasa de flujo de nitrógeno y oxígeno.

    ● Efecto redondo de nitruración (puede ser una desventaja en algunos casos, en comparación con la nitruración plasmática).

    ● Posibles tamaños de lote grandes: el factor limitante es el tamaño del horno y el flujo de gas.

    ● Con el control moderno de la atmósfera por computadora, los resultados de la nitruración se pueden controlar de cerca.

    ● Costo de equipo relativamente bajo, especialmente en comparación con el plasma.


    Las desventajas de la nitruración de gas son:

    ● Cinética de reacción fuertemente influenciada por el estado de la superficie: una superficie aceitosa o una contaminada con fluidos de corte proporcionará resultados pobres.

    ● Algunas veces se requiere la activación de la superficie para tratar aceros con un alto contenido de cromo: compare la pulverización catódica durante la nitruración con plasma.

    ● El amoniaco como medio de nitruración, aunque no es especialmente tóxico, puede ser dañino cuando se inhala en grandes cantidades. Además, se debe tener cuidado cuando se calienta en presencia de oxígeno para reducir el riesgo de explosión.


    Baño de sal nitruración

    En la nitruración en baño de sales, el medio donador de nitrógeno es una sal que contiene nitrógeno tal como la sal de cianuro. Las sales usadas también donan carbono a la superficie de la pieza de trabajo, lo que hace que el baño de sal sea un proceso de nitrocarburación. La temperatura utilizada es típica de todos los procesos de nitrocarburación: 550-570 ° C. Las ventajas de la nitruración de sal es que logra una mayor difusión en el mismo período de tiempo en comparación con cualquier otro método.


    Las ventajas de la nitruración de sal son:

    ● Tiempo de procesamiento rápido, por lo general del orden de 4 horas o más para lograr

    ● Operación simple: caliente la sal y las piezas a temperatura y sumerja hasta que haya transcurrido la duración.


    Las desventajas son:

    ● Las sales usadas son altamente tóxicas: la eliminación de sales está controlada por leyes ambientales estrictas en los países occidentales y ha aumentado los costos involucrados en el uso de baños de sal. Esta es una de las razones más importantes por las que el proceso ha caído en desgracia en las últimas décadas.

    ● Solo es posible un proceso con un tipo de sal particular: dado que la sal establece el potencial de nitrógeno, solo es posible un tipo de proceso.


    Nitruración de plasma

    La nitruración de plasma, también conocida como nitruración de iones, nitruración de iones de plasma o nitruración de descarga luminosa, es un tratamiento de endurecimiento superficial industrial para materiales metálicos.


    En la nitruración del plasma, la reactividad del medio de nitruración no se debe a la temperatura sino al estado ionizado del gas. En esta técnica, se utilizan campos eléctricos intensos para generar moléculas ionizadas del gas alrededor de la superficie a nitrurar. Tal gas altamente activo con moléculas ionizadas se llama plasma, nombrando la técnica. El gas utilizado para la nitruración plasmática suele ser nitrógeno puro, ya que no se necesita una descomposición espontánea (como es el caso de la nitruración gaseosa con amoníaco). Hay plasmas calientes tipificados por chorros de plasma utilizados para cortar metales, soldar, revestir o pulverizar. También hay plasmas fríos, generalmente generados dentro de cámaras de vacío, a regímenes de baja presión.


    Por lo general, los aceros se tratan de forma beneficiosa con nitruración de plasma. Este proceso permite el control cercano de la microestructura nitrurada, lo que permite la nitruración con o sin la formación de la capa compuesta. No solo se mejora el rendimiento de las piezas de metal, sino que también aumentan las vidas útiles, y también el límite de deformación y la resistencia a la fatiga de los metales que se están tratando. Por ejemplo, las propiedades mecánicas del acero inoxidable austenítico como la resistencia al desgaste pueden aumentarse significativamente y la dureza de la superficie de los aceros para herramientas puede duplicarse.


    Una pieza nitrurada con plasma generalmente está lista para usar. No requiere operaciones de mecanizado, pulido u otras operaciones posteriores a la nitruración. Por lo tanto, el proceso es fácil de usar, ahorra energía, ya que funciona más rápido y causa poca o ninguna distorsión.


    La nitruración con plasma a menudo se combina con el proceso de deposición física de vapor (PVD) y el tratamiento dúplex etiquetado, con beneficios mejorados. Muchos usuarios prefieren tener un paso de oxidación de plasma combinado en la última fase de procesamiento para producir una capa lisa de óxidos negros que es resistente al desgaste y la corrosión.


    Dado que los iones de nitrógeno están disponibles por ionización, de forma diferente a la del baño de gas o de sal, la eficacia de la nitruración del plasma no depende de la temperatura. Por lo tanto, la nitruración por plasma puede realizarse en un amplio rango de temperatura, de 260 ° C a más de 600 ° C.Por ejemplo, a temperaturas moderadas (como 420 ° C), los aceros inoxidables pueden nitrurarse sin la formación de precipitados de nitruro de cromo y, por lo tanto, manteniendo sus propiedades de resistencia a la corrosión.


    En los procesos de nitruración por plasma, el gas nitrógeno (N 2 ) suele ser el gas portador de nitrógeno. Otros gases como el hidrógeno o el argón también se utilizan. De hecho, el Argón y el H 2 pueden usarse antes del proceso de nitruración durante el calentamiento de las piezas para limpiar las superficies a nitrurar. Este procedimiento de limpieza elimina efectivamente la capa de óxido de las superficies y puede eliminar capas finas de solventes que podrían permanecer. 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 comienza con cambios menores de calentamiento. Para el proceso de nitruración también se agrega H2 gas para mantener la superficie libre de óxidos. Este efecto puede observarse analizando la superficie de la pieza bajo nitruración.