NITRURACI N DE UN ACERO INOXIDABLE AISI 410 PARTIENDO DE DIFERENTES TRATAMIENTOS T RMICOS

CONGRESO CONAMET/SAM 2004
NITRURACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE AISI 410 PARTIENDO
DE DIFERENTES TRATAMIENTOS TÉRMICOS
S. P. Brühl(1), R. Charadia(1), N. Mingolo(2), J. Cimetta(1), M. A. Guitar(1), S. Suárez(1) y
M. Duarte(1,3)
(1)
Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Concepción del Uruguay, Ing. Pereira 676 (3260)
Concepción del Uruguay, Prov. de Entre Ríos, Argentina. [email protected]
(2)
Comisión Nacional de Energía Atómica, Centro Atómico Constituyentes, U. A. Materiales. Av. Gral Paz 1499
(1650) San Martín, Prov. de Buenos Aires, Argentina. [email protected]
(3)
Actualmente con el Dpto. de Física Aplicada, Facultad de Ciencias, Universidad de Alicante, España.
[email protected]
RESUMEN
Los aceros inoxidables martensíticos son aleaciones de uso masivo en la industria, cuando se requiere combinar
las buenas propiedades mecánicas de los materiales ferrosos con una alta resistencia a la corrosión. En particular
los aceros AISI 410 y 420 son aceros de matriz ferrítica, a los que un tratamiento térmico los transforma en
martensíticos, dotándolos así de alta dureza y elevadas propiedades mecánicas. La temperatura recomendada
para el revenido posterior al temple se encuentra en dos zonas, hasta 400 °C y a partir de 600 °C para obtener,
entre otras propiedades, buena tenacidad.
Estos aceros son susceptibles de ser endurecidos por un tratamiento superficial por difusión como la nitruración
iónica, dado que puede operar a temperaturas más bajas que 400 °C, tanto esta condición, así como la mezcla
gaseosa de nitrógeno e hidrógeno que se usa en el proceso, determinan la formación de una capa superficial más
dura y más resistente a la corrosión que el propio acero.
En este trabajo se presentan los resultados de microestructura, y resistencia al desgaste de un acero AISI 410
nitrurado por plasma partiendo de distintas condiciones previas con el fin de comparar: (i) sólo normalizado, (ii)
templado y revenido a 400 grados, con la situación templado y revenido a 600 grados sin nitrurar, como es el
tratamiento térmico usual.
Se midió dureza en superficie y perfil en profundidad, se estudiaron las estructuras por microscopía óptica y
difracción de rayos X y se realizaron ensayos de desgaste con la técnica pin-on-disk. Se encontró que en los dos
casos de nitruración aumenta la dureza y resistencia al desgaste con respecto al material con tratamiento térmico
y se presenta en este trabajo una discusión sobre las estructuras generadas en la superficie y la optimización del
proceso en cuanto a obtener las mejores propiedades mecánicas y tribológicas.
Palabras Claves: nitruración iónica – aceros martensíticos – desgaste
1. INTRODUCCIÓN
La nitruración iónica es una técnica de difusión
termoquímica asistida por plasma, utilizada en el
tratamiento superficial de aceros como alternativa a la
nitruración gaseosa. El objetivo es obtener una alta
dureza para mejorar la resistencia al desgaste pero
también mejorar la resistencia a la corrosión y a la
fatiga. La nitruración iónica es manejada con los
parámetros eléctricos e hidrodinámicos de una
descarga eléctrica en un gas a baja presión y permite
un mejor control de estructuras en la superficie
tratada, merced al control que se tiene del pasma,
usualmente de una mezcla de hidrógeno y nitrógeno.
Esta técnica se ha extendido en los últimos años a los
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aceros inoxidables, pudiendo lograr la difusión de
nitrógeno dentro del material y la conservación del
cromo libre que actúa eficazmente para lograr la fina
capa de óxido que pasiva al material. En los aceros
austeníticos se han logrado buenos resultados
reportados extensamente en la literatura [1-5].
La temperatura del proceso regula la estructura en la
superficie y se conoce que entre 400 y 430 grados
consiste en austerita supersaturada por nitrógeno y una
expansión de la red fcc, usualmente denominada capa
“S” [5-7].
En el área de aceros inoxidables martensíticos, no hay
en cambio tantos trabajos reportados, aunque hay un
cierto acuerdo entre los científicos que la temperatura
de trabajo es aun más crítica en estos aceros para
obtener dureza y controlar a la vez la resistencia a la
corrosión [8-10]. Aún así queda investigar el efecto
del tratamiento térmico previo a la nitruración y por
ende el tipo de estructura que encuentra el nitrógeno
en el material y la que quedará luego formada [11].
El acero AISI 410 es un acero con un contenido de
carbono de 0,15% y de cromo entre un 12-14%, que
puede alcanzar distintas propiedades mecánicas, y
dureza dependiendo del tratamiento térmico. Como en
temperaturas moderadas es resistente a la corrosión, se
usa ampliamente en álabes de turbinas y también
como herramientas de corte en cirugía.
Este trabajo presenta los resultados del estudio de
microestructura y comportamiento al desgaste de un
acero martensítico AISI 410 nitrurado con plasma
partiendo de tres condiciones diferentes: recocido y
sin ningún otro tratamiento térmico, templado y
revenido a 400 oC y otra a 600 oC.
Las probetas M0, M1 y M2 fueron nitruradas en las
mismas condiciones en un plasma de tipo DC pulsado,
a 15 mbar de presión en flujo continuo, en un gas
compuesto por 75% de hidrógeno y 25% de nitrógeno.
El proceso comenzó con una limpieza o sputtering en
el mismo reactor de trabajo, pero en un plasma de
hidrógeno y argón (40 y 60% respectivamente) con el
objeto de eliminar por bombardeo iónico el óxido
pasivante y permitir la difusión de nitrógeno. La
densidad de corriente durante la nitruración fue de
0.11 mA/cm2, con una tensión eficaz de 600 V y se
nitruró a una temperatura de 400 grados durante 10
horas.
Posteriormente al tratamiento se midió dureza en la
superficie de todas las probetas y luego se observaron
las estructuras superficiales con un microscopio óptico
de 400/800 aumentos, tras cortarlas transversalmente,
incluirlas en resina y atacarlas con reactivo de Marble.
Se estudiaron la estructura cristalográfica y la
presencia de microdeformaciones en la superficie
mediante difracción de rayos X Los diagramas se
realizaron utilizando radiación de Co (λKα=1.7889Å)
en el intervalo 2θ desde 20º hasta 120º y un paso
angular de 0.02º.
Finalmente se levaron a cabo ensayos de desgaste con
una máquina pin-on-disk, utilizando una bola de
alúmina, carga normal de 1 N y un recorrido de 1200
m. Se midió el coeficiente de fricción y la pérdida de
masa, que se comparó con la pérdida de la probeta
patrón MP. Las superficies desgastadas se observaron
con microscopía electrónica de barrido.
2. DESCRIPCIÓN DEL EXPERIMENTO
De una barra de acero AISI 410, composición C:
0.15%, Cr: 11.5-13.5%, Ni: %, Mn: 1%, Si:1%, P:
0.04%, S: 0.03%, se cortaron probetas que fueron
divididas en cuatro grupos según muestra la Tabla 1.
Tabla 1. Denominación de las probetas
NOMBRE DESCRIPCIÓN
M0
M1
M2
MP
Material tal como fue recibido.
Sólo recocido.
Material con tratamiento térmico.
Templado y revenido a 400 grados.
Material con tratamiento térmico.
Templado y revenido a 600 grados.
Material patrón, no será nitrurado.
Templado y revenido 600 grados.
En el tratamiento térmico, las probetas M1, M2 y MP
fueron colocadas durante 20 minutos a 1050 grados y
templadas en aceite, luego fueron revenidas a 400 ó
600 grados durante dos horas.
Figura 1. Esquema del reactor de nitruración iónica
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La Figura 2(a) corresponde la probeta M0, se observa
la matriz ferrítica del material base y una interfase
muy difusa entre la zona nitrurada y el sustrato, ambas
de 18-20 micrones. Este hecho es normal observarlo
en la nitruración de aceros ferríticos.
3. RESULTADOS
3.1 Microestructura
La Figura 2 muestra con 400 aumentos el resultado
del estudio metalográfico, donde se ven capas
superficiales similares en los tres casos. La zona
nitrurada aparece claramente diferenciada, aunque
tiene una interfase irregular con el material base. En
algunas partes se observa una zona negra en la
superficie, que se identifica como una región donde
precipita el nitruro de cromo, y el material pierde su
protección contra la corrosión. La zona blanca
corresponde a nitrógeno en solución, que como se ve,
resiste el ataque ácido mejor que el material base.
En la Figura 2(b) se observa la probeta M1, templada
y revenida a 400 oC. Se distingue claramente una
matriz martensítica fina en el material base y una
interfase más definida con la capa nitrurada, que
resultó ser de 18-21 micrones.
Finalmente, en la Fig. 3 (c) se presenta la probeta M2,
templada y revenida a 600 oC. También se observa
una estructura martensítica, aunque no tan fina como
el caso anterior. La interfase es menos definida
también aunque no tanto como el caso M0. La capa
nitrurada tiene aproximadamente 20-24 micrones.
3.2 Dureza en superficie
La dureza superficial se incrementa notablemente tras
la nitruración iónica, como se observa en la Tabla 2.
Si bien, de partida, la probeta M1, revenida a 400
grados, era la más dura, no hay cambios tan
significativos posteriores al tratamiento.
Tabla 2. Durezas antes y después de la nitruración
Dureza inic.
HV 0.05
Dureza final
HV 0.05
M0
175 , error 5%
1350 , error 3%
M1
450 , error 5%
1470 , error 3%
M2
280 , error 5%
1300 , error 3%
Prob.
(a) M0
3.3 Difracción de rayos X
Tabla 3: Parámetros de la estructura cristalina para las
probetas con distintos tratamientos térmicos
(b) M1
(c) M2
Figura 2. Micrografías de las probetas nitruradas y
atacadas con reactivo de Marble.
Probetas Parámetro de red Parámetro de red
nitruradas ferrita Feα (bcc)
martensita (bct)
M0
a = 2.8855 Å
a = 2.8776 Å
c = 2.8835 Å
c/a = 1.002
M1
a = 2.8862 Å
a = 2.8773 Å
c = 2.9036 Å
c/a = 1.009
M2
a = 2.8780 Å
a = 2.8723 Å
c = 2.8846 Å
c/a = 1.004
En general, se observa que la fase nitrurada puede ser
interpretada como una ferrita Feα (estructura bcc) o
martensita (estructura bct) expandida, dado que los
parámetros de red obtenidos son muy similares (ver la
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Tabla 3). Sin embargo la relación c/a es la menor y
casi 1 para la probeta M0, justamente porque es la que
no tiene martensita.
También se observa la probeta M1 presenta la red más
expandida pues tiene los parámetros de red más altos
así como la razón axial c/a.
En todos los diagramas de difracción sobresalen los
picos de los planos (110), (211) Y (200) de la red
hierro alfa y el pico correspondiente a los nitruros de
cromo CrN y Cr2N. Hay picos muy pequeños de
nitruros de hierro, y no se distinguen prácticamente
los óxidos de cromo. En la Figura 4 se observa el
diagrama correspondiente a la probeta M0.
30
40
50
350
Cr2N
300
60
70
80
90
100
110
AISI 410
probeta M0
3
250
2
1
Fe4N
Feα (211)
Cr2N
Fe2N
Fe2N
Cr2N
CrN
Feα (200)
Cr2N+Fe2N
Fe4N
Cr2N
Cr2O3
50
CrN
100
Fe4N
Cr2O3
150
Fe2N
200
Fe3N+Fe4N
2
Cr2O3
Intensidad (c/s)
120
3
Feα (110)
20
1
5
0
0
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
CrN o Cr2N, cuando se analizan las intensidades de
los picos de difracción.
También se detecta que los tratamientos térmicos
inducen una muy leve disminución del parámetro de
red de martensita expandida (Tabla 3) que se traduce
en un menor ensanchamiento de los picos,
especialmente en el caso de M1 También en esta
probeta se observa que el pico de la derecha,
correspondiente a Fe-α, es el más bajo, indicando la
menor presencia de texturas de ferrita.
3.4 Desgaste y coeficiente de fricción
Se realizaron ensayos de desgaste a una temperatura
ambiente de 25oC, humedad del 50% en una máquina
pin-on-disk. Se utilizó una bola de alúmina, con una
carga normal de 2 N, el radio de la huella fue de 3
mm, la velocidad de 6 cm/s y se efectuó un recorrido
de 1200 m.
Se midió la pérdida de masa y se la expresó en
relación a la de la probeta patrón, templada y revenda
a 600 grados. Los resultados se muestran en la Figura
6. Si bien la dureza superficial posterior a la
nitruración es similar en todos los casos, la menor
pérdida, 16% con respecto al desgaste de la probeta
patrón MP, corresponde a la probeta M1, templada y
revenida a 400 grados. Las probetas M0 y M2
reportan una pérdida de masa relativa de 26% y 25%
respectivamente.
o
2θ ( )
Figura 4. Diagrama DRX de la probeta M0
1.0
En la figura 5 se presentan los tres diagramas de las
probetas M0, M1 y M2, superpuestos aunque corridos
verticalmente uno respecto del otro para permitir una
mejor visualización.
600
0.8
0.6
0.4
550
0.2
500
450
0.0
Intensidad (c/s)
400
350
M0
M1
M2
MP
Figura 6. Pérdida de masa relativa al material patrón
en el ensayo de desgaste pin-on-disk.
300
250
M2
El coeficiente de fricción dinámico en la probeta
patrón MP resultó ser de 0.8 mientras que en todas las
probetas tratadas resultó de 0.7, lo que significa una
disminución del 12.5 %.
200
150
M0
100
M1
50
0
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
o
2θ ( )
Figura 5. Diagramas DRX comparados en la zona de
2θ entre 47-57 grados
A partir de los diagramas de difracción se observa que
la muestra sin tratamiento térmico M0 presenta una
mayor proporción de nitruros, particularmente del tipo
La Figura 7 muestra imágenes de microscopio
electrónico de barrido de la probeta tras el ensayo de
desgaste. Son una vista superior de la probeta patrón
MP y de la probeta M1, ambas con 100 aumentos. Se
observa la enorme diferencia en la magnitud del daño,
debido fundamentalmente al aumento de dureza.
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(a)
(b)
Sin embargo la resistencia la desgaste es menor,
debido a que se produce un debris muy duro que
arranca material de una matriz más blanda que el caso
M1. Los rayos X confirman que es ferrita expandida.
Vale aclarar que la precipitación de nitruros no es
deseable pues deja al material sin cromo en solución y
disminuye su resistencia a la corrosión, como se
observa en la zona negra más superficial de la probeta
M0.
La probeta M2 es la que tiene menos nitruros de
cromo y la más texturada en la dirección de los planos
(110), también se observan picos menos ensanchados
y el parámetro de red menor que la M1, debido al
tratamiento de revenido a la mayor temperatura (600
grados).
5. CONCLUSIONES
En resumen, a partir de lo estudiado en este trabajo se
puede concluir:
Figura 7. Vistas de las huellas de desgaste.
(a) Probeta patrón MP, (b) probeta M1.
La Figura 8 muestra una vista transversal de la huella
de desgaste de la probeta M2 donde se observa la capa
nitrurada deformada pero entera sobre el material base
(más oscuro), también deformado.
• La nitruración iónica de aceros martensíticos
produce un aumento notable de la dureza superficial
y de su resistencia la desgaste. En los casos de partir
de una material recocido o templado y revenido a
600 oC, las probetas pierden sólo el 25% de material
en el ensayo de desgaste respecto de la probeta
patrón.. El caso de partir de un templado y revenido
a 400 grados, resulta en una disminución al 16% en
la tasa de desgaste.
• El coeficiente de fricción dinámico después de la
nitruración se reduce en un 12.5 % en todos los
casos.
Figura 8. Vista transversal de la huella de desgaste y
de la capa nitrurada en la probeta M2
4. DISCUSIÓN
La probeta M1 es la que presentó la mayor resistencia
al desgaste. Esto se debe a que posee la capa nitrurada
más compacta y homogénea, como se observa en la
micrografía de la Figura 2(a). La difracción de rayos
X confirma que es la red martensítica con mayor
distorsión y el diagrama muestra una precipitación
importante de nitruros de cromo, explicando la mayor
dureza medida después del tratamiento de nitruración.
El pico de Fe-α es el más bajo, indicando que el
material no tiene una textura preferencial tan marcada,
debido justamente a la mayor distorsión creada por el
nitrógeno dentro de la martensita fina.
La probeta M0 es la que tiene la mayor precipitación
de nitruros, que le otorga elevada dureza superficial.
• La capa nitrurada consiste en nitrógeno en solución
de ferrita o martensita según el caso y precipitados
de nitruros de cromo, causando una deformación de
la red, que aumenta su energía y se refleja en un
crecimiento del valor de dureza y resistencia la
desgaste.
• La capa nitrurada tiene una resistencia a la corrosión
mayor que el propio acero inoxidable, como se
observa en la micrografía tras el taque ácido.
• Si bien la dureza obtenida en la nitruración es
similar en todos los casos y el espesor de capa
nitrurada también, la resistencia al desgaste depende
en mayor grado de la estructura cristalográfica de la
capa superficial. En este trabajo se demostró que la
condición más ventajosa ha sido partir de un acero
con un tratamiento térmico de templado y revenido
que le otorgue una dureza alta, como le caso de
revenir a 400 grados. Entonces, la difusión de
nitrógeno ocurre en una matriz martensítica de alta
distorsión inicial, resultando en una capa nitrurada
compacta y de red más tensionada, con propiedades
tribológicas muy superiores al acero inoxidable sin
nitrurar.
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[10] C. A. Pinedo, W. A. Monteiro, Surf. Coat.
Technol. 179 (2004) pp. 119-123.
[11] P. A. Corengia, Tesis Doctoral, Inst. Jorge
Sábato, Universidad Nacional de San Martín,
República Argentina, agosto de 2003.
AGRADECIMIENTOS
Los Autores agradecen a los becarios del Grupo de
Ingeniería de Superficies, estudiantes de Ingeniería
Electromecánica, por su colaboración en esta
investigación: M. Micucci, G. Laxague, E. Iñíguez, A.
Anud y D. Buenahora.