ORIGEN Y SOLUCIONES DE LAS VARIACIONES VOLUMETRICAS Y DIMENSIONALES EN LOS TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS. I – Nitruración

 I  – Nitruración

II – Cementación

III- Nitrocarburación

OBJETIVOS

BILTRA es una empresa de implantación nacional. Proporciona servicios a un amplio número de actividades y tamaño de empresa, alcanzando los 950 clientes diferentes al año.

La atención al cliente de BILTRA muestra su mas solido compromiso en la orientación técnica del tratamiento de nitruración a nuetros clientes, comunicando nuestras sugerencias en el proceso de fabricacion, solucionando sus dudas e informando de los distintos aspectos teoricos del proceso para satisfacera nuestros clientes.

Los clientes más importantes y habituales son empresas cuya actividad cubre un amplio rango de sectores industriales. Son empresas de los sectores:

– Máquina-herramienta.

– Automoción

– Ferrocarril.

– Aeronautica.

– Eólico.

– Matricería-estampación.

– Industria Química y Siderúrgica

BILTRA desea desarrollar este BLOG para que sirva como elemento de divulgación y formación a sus clientes y  dar soluciones al desconocimiento de los tratamientos  termoquímicos.

BILTRA busca la divulgación, formación y concienciación en sus clientes para que con el conocimiento de las  diferencias que existen entre los distintos tratamientos  termoquímicos, puedan minimizar los efectos negativos, en cuanto a la variación volumétrica  final de las piezas, producidos por los cambios químicos, y el riego de variaciones dimensionales  que las tensiones inducidas producen en las mismas en el proceso de fabricación.

El primer objetivo es el estudio y conocimiento de las transformaciones químicas que tienen lugar en los tratamientos termoquímicos de nitruración, nitrocarburación y  cementación.

El segundo objetivo es el estudio y conocimiento de las transformaciones físicas que tienen lugar en estos tratamientos termoquímicos, con variaciones importantísimas de estructura cristalina, de estado metalográfico y sus consecuencias volumetricas.

El tercer objetivo es el estudio y conocimiento de las medidas y procesos previos, que deben tomarse para que las transformaciones químicas y físicas que tienen lugar en estos tratamientos termoquímicos no afecten al acabado final de las mismas.

Estos conocimientos  permitirán tomar medidas preventivas en la fabricación de los elementos a tratar, dotando a estos elementos de los correctos procesos previos y sobremedidas necesarias para su correcto acabado.

I-NITRURACION

El tratamiento termoquímico de nitruración es utilizado en industria para la mejora de las propiedades mecánicas de dureza, resistencia al desgaste, resistencia a la fatiga y resistencia a la corrosión, en un amplio rango de aplicaciones.

La nitruración es un proceso termoquímico de endurecimiento superficial de los aceros.

 Por absorción y difusión del nitrógeno en la capa externa, se consiguen durezas significativas en la periferia de las piezas tratadas. El proceso de difusión está basado en la solubilidad del nitrógeno en el hierro.

Industrialmente, es habitual la aplicación de tratamientos de nitruración a diferentes aceros, como aceros de baja aleación, media aleación, alta aleación, al carbono, e inoxidables  con el objetivo de la mejora de sus propiedades mecánicas superficiales.

Las principales propiedades y ventajas de las piezas nitruradas son:

  1. La obtención de  durezas superior a cualquier proceso de endurecimiento superficial. Las piezas nitruradas alcanzan durezas de 500 a 1400 Vickers, dependiendo del acero usado y su composición.
  2. El proceso termoquímico de nitruración aumenta de forma muy importante la resistencia a la corrosión del acero. Su aplicación anticorrosiva es industrialmente usada para medios de corrosión del agua dulce, agua salada, vapor, atmósferas húmedas, metales, etc…
  3. La resistencia al desgaste en la  superficie de los elementos nitrurados se amplifica de forma exponencial debido a la gran dureza de la capa blanca o de compuestos y ala capa de difusión.
  4. Obtención  de una gran resistencia a fatiga. Fundamentalmente debido a las tensiones compresivas provocadas en la red cristalina por la precipitación de nitruros aleado. La deformación cristalina es una potente y eficaz barrera frente a las  grietas de los elementos que soportan sometidas a cargas repetitivas.  Se aumenta la vida útil de piezas abaratando el costo al aumentar su longevidad.
  5. En las maquinas en que sus componentes pueden sufrir desgastes anormales debido al sobrecalentamiento, es una eficaz protección porque conserva sus durezas  estables hasta los 500/550 ºC.
  6. Las variaciones volumétricas  y dimensionales de las piezas tratadas son las menores en el campo de los procesos tecnológicos de endurecimiento de los aceros, porque no necesita de una transformación critalina para conseguir la dureza.                                 No se producen grandes variaciones dimensionales típicas de los procesos de temple o cementación, pero estas no puede eliminarse completamente. La tendencia al crecimiento en volumen de las piezas por el proceso propio de absorción del nitrógeno es inevitable. Asimismo al ser un proceso de tratamiento químico + térmico, se producirá una relajación de las tensiones residuales introducidas previamente en el proceso de fabricación de los componentes (trabajo en caliente, en   frío,mecanizado…).                            Es muy importante conocer que en los aceros indeformables, tipo 1.2379 y su familia podrían producirse una transformación de la austenita retenida en martensita no revenida, con gran variación dimensional asociada. Este problema puede ser eliminado con un procedimiento de fabricación global adecuado de las piezas.
  7. Al ser la variación volumétrica y dimensional del proceso de nitruración  mínimos, los costos de acabado como mecanizado, rectificado, lapeado, etc .., son muy inferiores a los resultantes de procesos de endurecimiento superficial tales como la cementación. La nitruración es considerada en muchos casos  la última etapa del proceso si la exigencias de fabricación no son muy altas.

Teniendo en cuenta que BILTRA recibe las piezas sin conocimiento de los procesos y calidades  de fabricación previo, cuya influencia en las deformaciones finales es capital, pasamos a describir los cambios químicas que se producen.

Teniendo en cuenta que BILTRA recibe las piezas sin conocimiento de los procesos y calidades  de fabricación previo, cuya influencia en las deformaciones finales es capital, pasamos a describir los cambios químicas que se producen.

PRINCIPIOS QUIMICOS

Como hemos comentado, el proceso de difusión está basado en la solubilidad del nitrógeno en el hierro.

Diagrama de equikibrio del nitrogeno

En el diagrama superior puede observarse la existencia de dos nitruros: uno Fe2-3N(nitruro 1)(fase ε-sistema hexagonal), que contiene 11,3% de nitrógeno, y otro Fe4N, que contiene 5,8% (nitruro 2)(fase γ’-sistema cúbico).  

También se observa la presencia de un compuesto, con un 2,35% de nitrógeno, constituida por hierro alfa y fase γ’, que se conoce como braunita. Este eutectoide, parecido a la perlita, por su formación de láminas finas, es el responsable de la fragilidad de la capa nitrurada en aceros nitrurados.

La nitruración, por tanto, ha de realizarse a temperaturas inferiores a la eutectoide.

La capa nitrurada constará de dos zonas diferenciadas :

  1. Capa superficial, 5-30 μm, conocida como capa blanca o capa de compuestos, constituida por proporciones variables de Fe-γ’(Fe4N(FCC)) y ε(Fe2-3N (HCP)), frágil pero de gran dureza y resistencia al desgaste.
  2. Capa de difusión,50-800 μm que resulta de la solución sólida del nitrógeno en ferrita o martensita. Tendrá presencia de nitruros (AlN, CrN, TiN, VN) en los aceros aleados, presentándose como partículas submicroscópicas en la matriz ferrítica o martensítica.

El diámetro atómico del nitrógeno es 0.142 μm , se incrusta en localizaciones intersticiales de  la celdilla octaédrica del Fe.  La estructura cristalina de ferrita en celda BCC tiene un diámetro de 0.038 μm, y en el caso de la austeníta, celda FCC, de 0.104 μm.

La distorsión que sufrirá la estructura cristalina, con tensiones compresivas será la causa principal de aparición de propiedades con características tribológicas y antioxidantes, como la dureza superficial, de los aceros nitrurados. Esta distorsion es la generadora de aumentoa volumetricos en las piezas nitruradas, aumentos con caracteristicas generales y homogeneas.

Difusión de lnitrogeno en la red cristalina del acero.

Difusión del nitrógeno, puntos negros,  en la red cristalina del acero, puntos blancos

La formación de la capa nitrurada es un complicado proceso combinado de transferencia de masa. La disociación del NH3, y su difusión como en  N atómico, así como la temperatura, el tiempo, la presión, composición de gases, el substrato cristalino, son los parámetros fundamentales del proceso de nitruración.

Este tratamiento termoquímico está caracterizado por el cumplimiento completo de las leyes de difusión de Fick, la primera Ley para difundir y  la segunda para la formación de nitruros tanto de Fe, como de los elementos aleantes.

El fundamento de la nitruración gaseosa se basa en la inestabilidad el amoniaco a temperaturas nitrurantes, produciéndose la generación de nitrógeno naciente.

  1. NH3— N+3H ——- 2N Hacia N2(Molecular) 2H hacia H2 (Molecular)
  2. 2NH3 – 2N+3H2 — 2N Hacia N2 (Molecular) 2H hacia H2 (Molecular)

En la superficie de la pieza  se está produciendo la generación de nitrógeno e hidrógeno nacientes, por el contacto con el gas amoniaco, apareciendo de forma prácticamente instantánea en el caso del hidrógeno, y algo mas ralentizada en el nitrógeno,  sus formas moleculares.

El contenido de nitrógeno aumentará en la capa nitrurada hasta que se alcance el equilibrio termodinámico de máximo ambiente nitrurante.

La difusión del nitrógeno  varía en función del acero y del tipo de estado cristalino en que se encuentre.

Existe una gran diferencia de dureza, y/o contenido en nitrógeno, entre un acero no aleado y un acero aleado, con aditivos formadores nitruros (Al, Cr, Mo, V).

En el acero aleado, una vez combinado el nitrógeno con el Fe para formar la capa de compuestos(o blanca), se  difundirá hacia el interior de la pieza, formando nitruros complejos y muy duros, con los aditivos aleantes. La precipitación de nitruros aleados, llega a saturar al acero, disminuyendo la difusión del nitrógeno, y el proceso se ve frenado dando como resultado capas nitruradas menores.

En resumen,

  1.  En  aceros al carbono, o de baja aleación en elementos formadores de nitruros, la concentración en nitrógeno y por tanto el aumento de dureza, es relativamente suave, dado que la única barrera a la difusión serán las fases de nitruros γ’ ó ε de la capa blanca. La dureza máxima será de caracter limitado, dado la menor distorsión en la red del acero producida por la difusión del nitrógeno.
  2. En aceros aleados, la difusión y concentración de nitrógeno es muy potente, debido a d la barrera de nitruros formada en la capa de difusión, que dificulta la penetración del nitrógeno. El rango de dureza es muy superior, porque la precipitación de nitruros aleados provoca una gran distorsión de la red cristalina del acero, formando tensiones compresivas que provocan el aumento de propiedades como la resistencia a la fatiga. La capa nitrurada, será más profunda en un acero al carbono que en un acero aleado.

DISTORSIONES DIMENSIONALES PRODUCIDAS POR LA VARIACION  QUIMICA

Debido a estos cambios químicos experimentados en la superficie de las piezas tratadas por nitruración, se producen distorsiones dimensionales que serán siempre homogéneas, pero tanto mayores cuanto más simple sea el acero en su composición de aleantes, es decir:

  1. Un acero CK45-F114 sufrirá mayor distorsión en sus Ø int. y Ø ext. que un 1.8550-F174.
  2. Así mismo una estructura metalográfica de recocido sufrirá mayor variación que una estructura metalográfica martensítica de temple, siempre que la temperatura de su revenido implícito al temple sea superior a la temperatura de nitruración.
  3. Finalmente, la capa juega un papel determinante, entendiéndose que a mayor capa, mayor tiempo de proceso, mayor penetración de nitrógeno, mayor masa con cambio químico, mayor distorsión. Sufriendo  menor distorsión, las capas más pequeñas.
  4. No debemos olvidar la metodología industrial seguida para la fabricación de las piezas, pues si la pieza es de origen fundido, laminado, forjado, mararing, pulvimetalurgico,….los resultados de distorsión dimensional son distintos para cada uno de los métodos, debido a la distinta compresión, estructura, dirección de fibras, repetitividad, etc…
  5. En todo caso, la mejor salvaguarda  para minimizar estas distorsiones dimensionales, es efectuar un tratamiento térmico de stress relieving o estabilizado. No evitaremos la distorsión inherente al  cambio químico experimentado, que siempre se producirá, pero si evitaremos la distorsión  que la liberación de tensiones del resto de la masa de la pieza puedan realizar sobre estos Ø, produciendo un efecto de alabeo / ovalado.

Como hemos comentado anteriormente, teniendo en cuenta que BILTRA recibe las piezas sin conocimiento de los procesos y calidades  de fabricación previo, cuya influencia en las deformaciones finales es capital, recomendamos la estabilización térmica previa, porque reduce drásticamente los riesgos de distorsión,

Esta puede realizarse tantas veces como sea necesario, pero una de ellas debe ser siempre en trazabilidad de fabricación previa al tratamiento térmico de nitruración.

Bibliografía

  • Tratamientos térmicos de los aceros de Jose Apraiz
  • Tecnologia del acero de Jose Maria Lasheras
  • Trabajo final de master de Daniel Canal.

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