Jornadas SAM – CONAMET – AAS 2001, Septiembre de 2001
RESUMEN
Sobre acero inoxidable AISI 304
se realizó un tratamiento superficial
con la técnica de nitruración iónica,
utilizando un plasma DC pulsado,
con el objeto de mejorar su resistencia
al desgaste sin disminuir sus
propiedades anticorrosivas.
En los ensayos se mantuvo
la temperatura constante y debajo
de los 450 grados para evitar la
precipitación de los nitruros de
cromo y los tiempos de tratamiento
se establecieron entre 4 y 6 horas.
Se trabajó con una mezcla gaseosa
de N2-H2 y se determinó com
óptimo un porcentaje de H2 en la
mezcla que no supera el 4%. Como
tratamiento previo se realizó un
sputtering en un plasma de argón e
hidrógeno. Se realizaron ensayos
donde se compararon diferentes
condiciones de sputtering y dos frecuencias
para la descarga durante la nitruración.
Las probetas nitruradas se evaluaron
utilizando metalografía óptica y ensayos de
microdureza, tanto en superficie como en
profundidad. Con las medidas superficiales
se utilizó un modelo de dureza para calcular los
valores reales de la capa nitrurada, debido a
que ésta resulta muy delgada. Finalmente, los
resultados sobre AISI 304 se compararon
con los obtenidos en un acero tipo AISI 4140,
tratado en las mismas condiciones.
INTRODUCCIÓN
La nitruración iónica es una técnica de
tratamiento de superficies que consiste
básicamente en un proceso de difusión
termoquímica asistido por plasma. La
descarga eléctrica en un gas a baja presión,
que origina y sostiene el plasma, puede
ser continua, pulsada o DC pulsada.
El resultado del tratamiento es una zona
modificada en la superficie del material
consistente en una capa de compuestos,
nitruros de hierro principalmente, y bajo ella,
una zona de difusión que consiste en nitrógeno
en solución sólida. La primera capa, también
llamada capa blanca, puede tener varios micrones,
es dura e incrementa la resistencia al desgaste y a
la corrosión, mientras que la segunda capa, más
blanda pero de mayor espesor y sin interfase
brusca con el material base, incrementa la
dureza en profundidad y la resistencia a la
fatiga [1,2].
El rango de materiales susceptibles de ser tratados
es amplio, aunque es de especial interés el caso
de los aceros inoxidables, difíciles de nitrurar con
las técnicas tradicionales debido a la capa de óxido
pasivante que impide la difusión y que a la
temperatura que requiere la nitruración gaseosa
con amoníaco, 530 grados, precipita el CrN,
perdiendo el acero sus propiedades
anticorrosivas [3]. Con la técnica de
nitruración iónica se superan estas limitaciones
dado que en el plasma se bombardea la
superficie produciendo un sputtering que
Brühl, Charadia, Chichi, Cimetta, Marks, Duarte y Gondell
quita el óxido pasivante y porque además se generan
especies activas a temperaturas menores a 450
grados, que difunden en el sustrato y forman la
capa de nitruros [4-6].
En cuanto a trabajar con una descarga
eléctrica pulsada
eléctrica pulsada
la ventaja es que se evitan arcos eléctricos
y se ahorra
potencia, porque mientras que en
el tiempo donde la tensión
aplicada es cero, se ha comprobado
que las especies activa
subsisten en el plasma y la nitruración
continua, debido a la
difusión asistida térmicamente [7-9].
En el campo de las descargas DC pulsadas,
no se ha
establecido aún fehacientemente la relación
entre sus
parámetros (frecuencia y factor de tiempo
activo) y
la estructura de las capas nitruradas
resultantes. En este
trabajo nos proponemos exponer los primeros
resultados
de la nitruración pulsada se acero inoxidable
en un equipo
construido enteramente en nuestro laboratorio,
con el objetivo
e aportar al conocimiento científico y tecnológico
en esta área.
DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO Y EXPERIMENTOS
Las características básicas del equipo de nitruración,
esquematizado en la Fig.1 son:
cámara de acero inoxidable cilíndrica
de 14 litros (ánodo), con un electrodo
central del mismo material, donde se
colocan las piezas a nitrurar (cátodo);
caudalímetros para medición y mantenimiento
de presiones parciales de 3 gases en flujo;
aislación eléctrica en la base de la
cámara que permite entregar tensión al
electrodo y conservar la cámara a potencial
de tierra;
electrodo hueco que permite medir la
temperatura con una termocupla desde el exterior;
fuente de potencia de 3 kW que entrega
una onda cuadrada de frecuencia y ancho de
pulso regulable (0-1 kHz, 0-100%);
calefacción directa al electrodo mediante
una resistencia eléctrica alrededor de él.
Probetas
Las probetas nitruradas fueron de dos tipos de
materiales: acero inoxidable AISI 304 y a
efectos de comparación: acero AISI 4140.
Las muestras consistieron en cilindros de 23 mm
de diámetro y 6 mm de alto, lijadas hasta
granulometría 600 y pulidas con pasta diamantada
de 3 mm, en una sola cara. Para eliminar los
efectos de borde que produciría el plasma en
las aristas, las probetas se colocan en cavidades del
electrodo, en las que ajustan perfectamente y quedan
a nivel de la superficie, exponiendo sólo la cara pulida.
Gases del proceso
Se eligió trabajar con un porcentaje alto
de H2 en la mezcla con argón para realizar
el sputtering previo al tratamiento. La razón
es que el óxido pasivante que posee
el acero inoxidable demanda un sputtering
de mejor calidad que el usado en los aceros
tradicionales, en caso contrario, se vería impedida
la difusión. Basándonos en un trabajo de Kringhøj
et al. [10,11] elegimos trabajar con Ar e H2 como
gases de sputtering. Si bien aún es controversial
el papel del hidrógeno en el proceso de nitruración
por plasma, se reconoce su habilidad deoxidante
[1,12], realizando un sputtering más químico
que físico.
Con respecto a la nitruración
propiamente dicha, previo a este trabajo
se determinó que el porcentaje de
hidrógeno en la mezcla de gases
conviene mantenerlo lo más bajo posible
para maximizar la corriente. El hidrógeno
aumenta el coeficiente de emisión secundario
de electrones en el cátodo, y por consiguiente
la ionización y activación de las especies
moleculares N2 y NH. Usualmente se coloca
hidrógeno en una proporción de 10-20% pero
En la Tabla 1 se exponen todos los parámetros
utilizados en esas experiencias
|
Tabla 1. Parámetros del proceso de nitruración iónica
Ensayos
Se presentan los resultados de cuatro ensayos,
con distintas condiciones de sputtering y
dos frecuencias del plasma pulsado utilizado para
nitrurar. Estas características distintivas se detallan,
junto con los resultados, en la Tabla 2.
Las probetas llevan como denominación una letra
y un número, la letra “I” indica acero inoxidable
y la letra “C” acero 4140. Igual número
corresponde a ensayos con las mismas
condiciones pues se realizaron simultáneamente.
RESULTADOS
La microestructura se observó con un
microscopio metalográfico de 800 aumentos. Para
atacar las probetas se utilizaron reactivo
de Marble para distinguir la capa blanca en
el acero inoxidable y otro consistente en 50%
de HCl, 25 % de HNO3 y H2O, para distinguir
la zona de difusión y los bordes de grano. Para el
acero 4140 se utilizó el reactivo Nital al 3%.
Vale aclarar que en ensayos con temperaturas
inferiores a 400 grados, no se detectó capa
de compuestos en el acero inoxidable, sólo
una zona de difusión que no superaba los 10
mm. En la Figura 3 se observa una micrografía de
la capa de compuestos obtenida en ensayo
4. Las dos caras nitruradas están enfrentadas
después del corte transversal para evitar el efecto
de remisión de borde que produce el pulido una vez
incluida en bakelita.
Microdureza
Se efectuaron mediciones con un microdurómetro
marca Shimadzu, con indentador
Vickers, carga de 25 g (HV 0.025) y tiempo
de indentación de 10 seg.
Todos los valores presentados son
un promedio de 10 mediciones y en
todos los el error absoluto es de ± 20 HV.
El resumen de los resultados se encuentra en
la Tabla 2. En la columna correspondiente al
espesor de la capa de compuestos w, la letra
c indica que la capa era continua y la letra d,
discontinua. La dureza en profundidad fue
medida en la zona de difusión, y se da sólo
un valor a modo de ejemplo con el dato la distancia
a la superficie.
Para el ensayo 8, se trazaron las curvas de dureza
en profundidad de las probetas C8 (AISI 4140) e
I8 (AISI 304); la diferencia entre el comportamiento
de estos dos materiales se observa en la Figura 5.
DISCUSIÓN
Un resultado notable surge de la observación
de la Tabla 3 cuando se comparan los ensayos
5 y 8. En el ensayo 5 se obtuvo un buen resultado
sobre acero inoxidable, dado que la capa de
compuestos es continua, de espesor cercano a los
3 mm, resultando en una dureza superficial de 450
HV, más del doble de la correspondiente al material
base. En el ensayo 8,
Brühl, Charadia, Chichi, Cimetta, Marks, Duarte y Gondell
con iguales valores de corriente, tensión temperatura
y tiempo de proceso, se observa una capa débil,
discontinua y con una dureza superficial de sólo 320 HV.
La diferencia fundamental reside en el sputtering:
en el ensayo 5 fue más largo en tiempo y más
potente, pues tuvo un alto flujo de gases y un
porcentaje mayor de Ar que de H2. En similares
condiciones de sputtering se realizó el ensayo
4, obteniéndose también buenos resultados. Esto
se explica porque, al contrario de otros aceros de
nitruración como el 4140, 1010 o M2, el acero
inoxidable necesita un pretratamiento enérgico para
eliminar el óxido pasivante que impide la difusión
del nitrógeno. El ensayo 10, realizado con condiciones
de sputtering intermedias entre el 5 y el 8, da
resultados que también pueden considerarse
intermedios, una capa discontinua pero que eleva
la dureza superficial a 400 HV.
La otra diferencia entre los ensayos 5 y 8
es la frecuencia de la descarga utilizada para
nitrurar, alta en el primero (800 Hz) y baja en
el segundo (100 Hz). Este hecho parece influenciar
en forma diferente al acero inoxidable que al
acero 4140, dado que para este último, en el
ensayo 8 se obtuvo un muy buen resultado, como
se observa en la Figura 4b:
capa de compuestos continua, de espesor máximo
6 mm, con una dureza superficial medida de
430 HV y con una zona de difusión que extiende
la dureza en profundidad hasta los 300 mm. La
influencia favorable de las bajas frecuencias ha sido
reportada también por otros autores [8,15] para el
caso de la nitruración iónica de hierro puro.
En el gráfico correspondiente al ensayo 8 (Figura 5)
se puede apreciar que la dureza en profundidad no
es alta en el acero inoxidable. Es reconocido que
los nitruros de hierro son solubles en la matriz ferrítica
no así los nitruros de los elementos aleantes; por
lo tanto nunca es alta la difusión en los aceros
inoxidables por dos razones: i) debido a la alta
cantidad de aleantes, los nitruros precipitan
rápidamente formando la capa de compuestos,
ii) los nitruros de hierro son solubles en la
matriz austenítica, como para penetrar en el material.
Como consecuencia, la zona de difusión en los
aceros inoxidables consiste en una fase denominada
gexp, que es austenita expandida por nitrógeno,
sin precipitados de nitruros [4-6].
Finalmente, los ensayos 4 y 5, en los que se nitruró
a frecuencias altas (500 y 800 Hz), provocaron,
al contrario que para el 4140, resultados
satisfactorios en el AISI 304. No se ha encontrado
en la literatura evidencia de que las frecuencias altas
favorezcan al acero inoxidable, por lo que estimamos
que este caso demanda un estudio más detallado.
Modelo de microdureza para pequeñas capas
En la Figura 5 también se aprecia que la microdureza
cercana a la superficie en el 4140
(440 HV) es de un valor superior al medido
directamente sobre la superficie antes del corte
transversal de la probeta (430 HV). Este hecho
se debe a que no se puede medir con las
cargas utilizadas sobre capas de espesor tan pequeño.
Según investigaciones realizadas en este tema [16],
la profundidad de la impronta debe ser entre 8 y
10 veces menor que la capa, para que la medición
responda exactamente al material de la capa de
compuestos y no sea una combinación con la
dureza del sustrato, debido a deformaciones
plásticas o fisuras.
CONCLUSIONES
Se ha logrado construir y poner en funcionamiento
un equipo apto para la nitruración iónica de
aceros inoxidables. Se cumplen los requerimientos
de vacío y temperatura.
La nitruración de aceros inoxidables es un
tema de sumo interés tecnológico y presenta
muchas más dificultades que la nitruración
de los demás aceros. Se determinó que para
que la nitruración sea posible es necesario un
pretratamiento de sputtering que debe ser por
lo menos de dos horas, con una mezcla
proporcionada de argón e hidrógeno que
aseguran el sputtering físico y químico
respectivamente. Un flujo mayor a 0,8 l/min
es también recomendable.
Durante la nitruración, la estructura
austenítica y la cantidad de aleantes
dificulta la difusión y siempre se encuentran
en los aceros inoxidables capas de compuestos
más finas y hay una zona difusión muy pequeña
y menos dura que en los aceros ferríticos.
Con respecto a la temperatura, a menos de 410
grados, la dureza superficial no resulta tan alta,
como si se operara a temperaturas mayores.
Con cuatro horas de tratamiento a 430 grados,
se logró una capa nitrurada de 4.7 mm que
eleva la microdureza medida en superficie de
220-240 HV, correspondientes al material sin
tratar, hasta 450-470 HV, aproximadamente
de 20 a 45 HRC, medida directamente en
la superficie.
Las frecuencias altas parecen favorecer
la nitruración de estos aceros pero no ladel
AISI 4140, que reaccionó favorablemente al
uso de una frecuencia de 100 Hz.
Se considera en general que si bien los
resultados son auspiciosos y se encontraron
indicaciones para optimizar la nitruración iónica
de acero inoxidable AISI 304, se requieren más
estudios para explicar el comportamiento de
estos aceros frente a un plasma pulsado.
Brühl, Charadia, Chichi, Cimetta, Marks, Duarte y Gondell
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Fuente: http://www.materiales-sam.org.ar/sitio/biblioteca/posadas/trabajos/1501.pdf
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