nitrocarburación austenítica de los aceros aisi

ARTÍCULO DE INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA Y TECNOLÓGICA
NITROCARBURACIÓN AUSTENÍTICA
DE LOS ACEROS AISI SAE 1020 Y 8620
MEDIANTE EL EMPLEO DE ALCOHOLES
Y NITRURANTES LÍQUIDOS
Carlos Arturo Bohórquez Ávda1
RESUMEN
ABSTRACT
En el p re sente trabajo,
se aplican los fundam e ntos de los
procesos de Nitrocarburaclón tradicionales cuya finalidad
es mejorar entre otras las sigui entes propiedades: dureza
superficial, resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión.
Todo esto contando con una lmPOrtante ventaj a. la baja o
cas i nula distorsión dimensional.
El novedoso aporte en este t ratamiento es
la utolizac1ón
de Urea y Trietanolamlna disueltos en alcoholes como
el metano! y el isopropanol. en reemplazo del amoniaco
(NH3) y gases endotérm1cos para ser ut1hza das como
fuentes de Nitrógeno y carbono. Los resultados obtenidos
permiten caracterizar el proceso en !Jempos. temperaturas.
composición de la mezcla y ftu¡o de la misma en el horno.
o btenie ndo perfiles de d urezas ym1croestructurassimilares
a las encontradas en las referencias b1bhográficas.
perm1t1endo de esta manera brondar una alternativa para
la utilización de este ptoceso a me n or costo. Los aceros
ut1hzados f ueron el AJSI SAE 1020 y 8620. con el proposito
de observar la influencia de algunos elementos aleantes
en el desarrollo del tratamiento.
austenít1ca,
!he same one in !he oven, obta1ning profiles of
hardnesses and similar mocroestructural to t hem found
permtti
i ng in this manner 10 offer an
altemativefor the utilization ofth1s process tO smaller cost
The steels utihzed were the AISI SAE 1020 and 8620. fO<
the purpose of observ1ng !he influence or som e alloy1ng
on !he references.
KEYWORDS:
Urea.
Trietanolamina.
tratamiento s termoqu í m1cos
20 de 2007.
Fecha de aceptación dol artículo: Marzo 20 de 2007.
Docente Investigador. Universidad Libre.
AVANCES Investigación º" 1n¡¡onlcrio. 2007 No.
Austenitic nitrocarburizing, Urea, Triethanolamine. Heat
Treating.
Fecha de recepción del artículo: Febrero
56
flow of
elements in the development of the processong.
PALABRAS CLAVE
N1trocarburación
In the present work, we apply th e bases of the proccsses
of Nitrocarburizing traditional whose purpose is to produce
a superficial enrichment of carbon an d 11ltrog en to fo rm a
layer of composed 1n the surface of the steels of low and
hall a Carbon . with the encourage of lmprove among others
the following properties: superficial hardness, resistance al
wear. res1stance to the corrosion. All th1s w1th an 1mPQrtant
advantage of these processes: the drop or almost null
distort1on dimensional. The improve contrib utlo n in this
processing is the utilization of Urea and Triethanolamlne
diso lved in alcohols as !he Metanol and the lsopropanol.
in replacement of the a mmonia (NH3) and endOthermlc
gasesfor to be ut1hzed like sources of N1trogen and carbon.
The results obta1ned perm1t to charactenze the process
in times. temperatures. composition or !he m1Xture and
7
;
'
1
1
;
1
l
1
;
;
l
f
j
l
r
t
disminuye el nitrógeno es el elemento que aumenta
PROCESO DE NITROCARBURACIÓN
AUSTENÍTICA
su actividad en lasuperficie del acero. Los procesos de
El proceso consiste en un tratamiento termoquim1co
que comprende la difusión de carbono y nitrógeno
desde la s up erfic i e de materiales ferrosos con
el propósito de obtener una capa formada por la
combinación de estos dos elementos. Esta capa
en la cual el cambio químico produ cido modifica
el campo de estabilidad de la austeníta, y que
además sirve para disminuir la temperatura desde
la cual se puede realizar el enfriamiento rápido
con el propósito de transformar la austenita en
martensita. Las temperaturas usuales en las que
se realiza el proceso oscilan entre los 7000C y los
8200C. entonces el tratamiento se hace en un
mtrocarburación han tenido gran importancia por la
me¡ora en las propiedades superf1c1ales. su principal
característica es que se realiza a relativamente bajas
tempe raturas cercanas a los 700ºC, esto m inimiza
la distorsión causada por el cambio br usc o de
temperatura.
Todos los tratamientos de nltrocarburación buscan
básicamente producir una capa de carbonitruros
Epsil ón (&). los porcentajes de Carbo no y nitrógeno
necesarios para obtener este compuesto se
muestran en la Fig u ra 1 ( aproxi m adam ente 4% de
Ni y 1% de C). En la superficie del acero se forma
esta capa soportada por una zona de difusión de
estado de austenización parcial o total del acero
carbono; zona que al someterla a un enfriamiento
lo que causa un comportamiento diferente a los
rápido se transforma en martens1ta. y al realizar un
procesos convencionales de carbonitruracíón que se
revenido se convierte en un soporte ideal para la
capa de carbomtruros. modificando las propiedades
obtenidas por otros tratamientos simílares. esto es
Indep endie nte del método de nitrocarburación que
se utili ce . La velocidad de crecimiento. composición
y propiedades mecánicas de la capa de compuestos
es influenciada directamente por l a composición de
la atmósfera en la que se realiza el tratamiento.
realizan a temperaturas superiores. Los procesos de
Nitrocarburación se dividen en dos grandes grupos:
Nitrocarburación femt1ca en baños de sales' y
Nltrocarburación gaseosa'.
La na tura leza de la zona de compuestos obtenidos
difiere considerablemente de
los
procesos
la
convencionales de
encontrada
nitruración,
en
la
prima (r). que son nitruros; y la fase épsilon (&),
Existen referencias de procesos industriales que
aplic an esta técnica. La em presa Huyton Heat
nitrocarburación producen una fase sencilla en la
comerciales de
zona de compuestos llamada ·capa blanca·. con
que se realizan en hornos eléctricoscon capacidad de
capa formada es la combinación de fase gama
fase doble inhe rente me nte frágil. Los procesos de
Treatments Ltda., ha desarrollado tres procesos
nitrocarburaclón austenitica gaseosa
lo que se elimina este problema. Una propiedad
realizar el temple en agua o aceite. con atmósferas
que se mantiene d e los procesos de nitruración es
que utilizan un gas portador de nitrógeno y metano!
la dureza con valores comprendidos entre los 55 y
enriquecido con Amoniaco que son las fuentes de
l os 70 RC, dependiendo de la composición obtenida
nitrógeno y Carbono·•.
en el tratamiento. La gran diferencia está en que la
capa de compuestos queda soportada por un a capa
martensítica obtenida por la difusión de Carbono y
nitrógeno.
La temperatura del tratamiento tiene una influencia
decisiva en las cantidades adicionadas de Carbono
y nitrógeno. cuando esta
temperatura es elevada
existe un predominio en la incorporación de carbono
al acero. por el contrario cuando la temperatura
1
Los procesos se hacen en c uat ro partes:
Carbonitrurac1ón a temperaturas que superan
los 700ºC.
Disminución de la temperatura hasta 700ºC y
so st enim i en t o durante varias horas.
Temple en aceite desde los 700"C para transformar
la zona que soporta la capa blanca de austeníta a
martensita.
En
algunos
casos
se
realizan
tratamientos
Knetocs of the Gaseosos Nrtrocarburcsong Proces. J Siyeke.
L Spro¡¡e. Surfaoe Engineering. 1989, Vol 5 No. 2 pp. 125
140.
en martensita o en balnita dependiendo de la
Process. T. Bcll, M. Kinal. Heat Treatment of MetalS. L987.
vol 2. pp. 47 . 51
se lleva la pieza
PhysicalMetallurgyAspectsoflheAustenltJCN•trocarbunsing
posteriores para transformar la Austenita retenida
aplicación que se le quiera dar a la pieza. esto se
obtiene realizando un tratamiento subcero donde
a tempe raturas comp ren didas
AVANCES Investigación en Ingeniería . 2007 No.
7
57
Figura 1. Sección Isotérmica a 700 ºC del diagrama de
fases ternario Fe-C-N que muestra el desarrollo de las
fases durante el proceso de nitrocarburación3•
Las diferencias en cuanto a composición q uímica
molecular de estos compuestos
nitrogenados. hace que se presenten variaciones
notables en su comportamiento en el horno. En
consecuencia, las características de las atmósferas
y
e structura
generadas se diferencian en gran medida por
,
,
las posibilidades de regulación y la eficacia de la
incorporación de Nit róge n o y Carbono.
En la presente investigación se utiliza n sustancias
orgánicas tales como alcoholes,
trietanolamina
y Urea. para producir la atmósfera deseada. La
ventaja
2
3
4
S %N
de este proceso radica fundamentalmente
en el bajo costo de los equipos e insumos utilizados.
Los alcoholes empleados son el metanol y el
isopropanol. los cuales generan en gran medida el
Carbono necesario para obtener las microestructuras
entre los ·70ºC y los ·120 ºC o con un revenido
por encima de la temperatura de transformación
Ms, n ormalm ente en el rango de 300ºC y 400ºC
seguido de u n enfriamiento al aire.
ATMÓSFERAS PARA NITROCARBURACIÓN
AUSTENÍTICA
El requerimiento básico de las atmósferas
gaseosas para nitrocarburación es suministrar
simultáneamente Nitrógeno y Carbono a la superficie
de materiales ferrosos para producir la fase c. La
generación de atmósferas obtenidas únicamente por
el goteo de líquidos. tiene un campo de aplicación
amplio, ofrece además la ventaja de sustituir el
amoníaco como fuente de Nitrógeno.
Cuando se trata de tener un solo compuesto orgánico
•
como fuente de carbono y Nitrógeno. es común
recurrir a la mezcla de distintos componentes. Puede
lle varse a cabo conjuntamente en el mismo líquido o
separadamente. cada uno de ellos con una función
especifica en la mezcla, para proceder a la regulación
de la cantidad aportada según las necesidades de
cada fase del proceso. De los variados compuestos
orgánicos que contienen nitrógeno y que han sido
utilizados como portadores de éste en los procesos
de Nitrocarburación, cabe destacar: anilina. piridina.
etanolamina. trietanolamina, Urea y forma mida.
3
The con stitut1on of H ard en ed Surfaces Produced by Low·
Temperature Garbonitriding. L Kiessling. Heat Treatments
oí metals. 1978 No, 4, pg. 95-99.
•
Knetlcs of the Gaseosus Nitrocarburisin g Proces. J Sl)'Cke ..
L Sproge.. Surface Engineering
58
AVANCES Investigación en lngenieria
.
2007 No. 7
deseadas. El metanol actúa como gas portador y el
isopropanol como activador.
DESARROLLO ESTRUCTURAL DURANTE
LA NITROCARBURACIÓN
El crecimiento de las fases en el proceso de
nitrocarburación se muestra esquemáticamente en
las siguientes figuras y se explica a continuación.
Durante el proceso,
e
y y' se f ormarán inicialmente
dentro de la zona de difusión y posteriormente estas
mis ma s fases se formarán parcialmente en la capa
de compuestos.
De acuerdo con el diag rama Fe-N-C (Figura 1).
se puede analizar la evolución del proceso. Todos
los aceros al carbono presentan
ex + Fe3C a las
temperaturas del proceso y las cantidades de
Carbono oscilan entre 0.003% y 6.67%.
FORMACIÓN INICIAL DE LAS FASES EN
ZONA DE DIFUSIÓN
LA
1. Si se considera la nitrocarburación de un acero
de bajo Carbono (por ejemplo 0.1% C) en una
atmósfera con una baja actividad de carbono,
comenzarán a disolver s e pequeñas cantidades de
Nitróg eno en y Fe3C Cua ndo las fa ses s e s aturen
nitrógen o se formará la fase a partir de la
cementita hasta que se consuma esta última de
.
de
acuerdo con la siguiente reacción :
(1)
l
E
•
;
La com posi ción superficial durante este proceso
se irá
alternando de acuerdo al diagrama de fases
(Figura 3). de sde a + Fe3C hasta a. +e. a través
del campo de a + Fe3C +e .
determinado nivel, la fase e se transformará en y'
hasta consumirse la fase e (Figura 3), así:
•
Nitrógeno. se comienza a formar en la superficie
(Figura 4).
La presencia de la capa y' se debe a elevadas
concentraciones
de
Nitrógeno
presentes
en
el ca mpo a+y'. El crecimiento de esta capa se
(2)
Esta transformación ocurrirá, de acuerdo con el
dia grama ternario Fe - N
1. En la medida en que crece la actividad de
de la pieza una capa de y· a expensas de la ferrita
2. Si la actividad del Carbono cae por deba¡o de un
a +e -Ht. +y'
FORMACIÓN DE LA CAPA DE COMPUESTOS
C, a través del ca mpo
a+ e +y'. (Figura 3). Como se
observa. la
estructura continua siendo bifásica en la zona
de difusión ya que hasta este momento no se ha
comenzado a formar la capa de compuestos.
La Figura 2 ilustra la secuencia ante normente
expuesta.
produce por la difusión de nitrógeno a través de
ella.
2. Si la actividad del Nitrógeno aumenta. la capa de
y' se transformará en e y se obser v ará una capa
compuesta tipo duplexformada por e y y' •&(Figura
5). Esta secuencia de eventos se presenta en las
pnmeras horas (je nitrocarbunzacion y conlleva a
una disminución del Carbono en la interfase entre
la capa compuesta y la zona de d1fus1ón. la cual. al
pasarel t iempo, se va compensando por la difusión
Figura 2. Transformación de la zona de difusión
al comienzo de la nitrocarburac1ón.
de Carbono desde la zona de difusión hacia la parte
externa, como a través de la capa de compuestos
por efecto de la atmósfera nitrocarburante.
El aumento del Carbono reducirá a estabilidad
'
de y y eventualmente se nucleará en la interfase
entre y' y la zona de difusión.
·
3. Finalmente crecerá a través de y
l
desaparecerá
después
de
+ e y y'
horas
varias
de
nitrocarburización .
Cl
..
Si un acero debajo Carbonoes nitrocarburizado en una
a
atmósfera de elevada actividad de Carbono, ocurren
Zona d e
Difusión
Matriz
Figura 4. Transformación de la capa de
Figura 3. Transformación de la zona de dlíuslón al
compuestos dura nte el proceso de
nitrocarburación.
aumentar la concertación de Nitrógeno
en la nitrocarburación.
-
a
+
C<
+
Fe3C
C<
l
CI.
a
c:J.
+
a
+
Zona de
Difusi ón
Fe3C
•
Matriz
.
o.
+
a
a
+
ci
ci
a
+
T
Capa de
"
Con1puestos
y
7.onn de
Difu ..ión
o.
+
Fc,c
.
"
'
Matriz
AVANCES Investigación en Ingeni ería - 2007 No. 7
59
los mismos eventos analizados anteriormente. pero
PROCESO
por y' se desintegra en las primeras etapas del
El proceso de nitrocarburación austenitica que se
en tiempo menor. Esto significa Que la capa formada
proceso, en comparación con el proceso realizado
con una baja actividad de Carbono. el cual fue
analizado anteriormente.
Cuando se tratan aceros de alto contenido de
Carbono en atmósferas de elevada actividad de
Carbono. Queda suprimida la formación de y' y la
capa será únicamente de c. la cual comenzará a
formarse desde el comienzo del proceso.
aplicó fue el resultado de pruebas preliminares.
Aceros
En la presente investigación se emplearon aceros
para cementación, es decir. aceros de bajo Carbono,
acero AISI 1020. Con el fin de observar la influencia
de los elementos aleantes en le tratamiento, se utilizó
un acero AISI 8620. En la pruebas preliminares se
ensayó el tratamiento con aceros de mayor contenido
Con el aumento del tiempo del proceso, la act1V1dad
del Carbono disminuye en e l área cercana a la
interface entre la capa de compuestos y la zona de
difusión. Esta carencia de Carbono necesario para
que ocurran las transformaciones. e s suplida por
la difusión de Carbono desde el interior del acero
hasta que el Carbono es nuevamente aportado por la
atmósfera del tratamiento. El aumento de la actividad
del Carbono puede reducir la estabilidad de la fase
y'. eventualmente la fase puede ser nucleada en la
interface entre el sustrato y la capa de y'.
En los procesos de nitrocarburación, el Carbono se
difunde desde el núcleo de los aceros tratados. Esto
estabiliza la fase en la interface la zona de difusión y
la zona de compuestos y una nueva capa de fase de
de Carbono es decir AISI 1045, pero no se obtuvo
buenos resultados.
Análisis qu í m ico
La composición química del acero es determinada
mediante la quema en el espectrómetro de emisión
de chispa, PV-4. El análisis se realizó en los aceros
en le estado de entrega y
esta
expresado en forma
porcentual, para el acero AISI SAE 1020 C D.21 %, Cr
0.11%, Ni 0.09%. Mo 0.03%, Mn 0.63%, V 0%, Co
0.01%, W 0.03%, P 0.021%, S 0.013%, Si 0.13%, y
SAE 8620 C0.19%, Cr 0.57%. Ni 0.51%.
E
Mo 0.19%, Mn 1.22%, V 0.01%, Co 0.02%, W 0.01%,
(
el acero AISI
P 0.03%. S 0.02%, SI 0.2%.
bao nitrógeno. la formación de esta fase puede darse
TEMPERATURAS Y TIEMPOS
enseguida de la capa e + y'. Este comportamiento
El tratamiento se realizó de la siguiente manera:
j
puede ser entendido en el diagrama de fases. sí el
gradiente de concentración desde la zona de Q+C Que
es una doble fase. hasta la zona de c.
•
•
•
+
a
a.
: 1 Hora a 400"C.
Nitrocarburización
: 4 Horas a 700°C.
Temple
: En agua.
Revenido
: 1 Hora 350°C.
e
'
t
r
¡
¡
E
(
(
diferentes de la atmósfera, mostradas en la Tabla 1.
durante la nitrocarburación
a.:
Oxidación
El anterior proceso se realiza para dos composiciones
Figura 5. Desarrollo estructural
ci
1
l
una basada en Urea y otra en Trletanolamina.
a.
+
a.
+
a.
Fe3C
ENSAYOS
Con el fin de caracterizar la capa formada mediante
el tratamiento, se realizaron los ensayos de desgaste.
difracción de rayos X, metalografía, corrosión y
microdureza.
y
Capa de
Compuestos
60
i
T
;.
Zona de
Difusión
AVANCES lnveslfgaci6n en lngenieria. 2007 No. 7
l
Matriz
Desgaste
La prueba se llevó a cabo variando el tiempo durante
el cual se somete la pieza a la acción de la fuerza de
fricción, el dato tomado en la prueba es el diámetro
1
Tabla 1. Composiciones de las mezclas a gotear en el proceso de Nitrocarburación A usten ítica .
Urea
Composición 1
-----Gr/ 100ml
. .-
10
.
Composición 2
..
-
.
...
.. .
.
.
98
2
6
15
83
2
6
de la huella dejada durante el ensayo. valor que
atmósfera lo cual genera un aumento de la dureza
se mide con la ayuda del analizador de imágenes.
supemcial.
Con estos datos se puede hallar el valor del áre a de
Otro factor que mejora este comportamiento es
esta huella y como el valor del volumen de material
desalojado es
pro por cio nal a esa área, este valor se
gráfica contra el tiempo de duración de la prueba .
El
comportamiento
de
los
dos
aceros
nitrocarburizados con Urea es muy parecido. se pude
decir que tienen la misma tendencia, la presencia
de elementos aleantes en el acero AISI 8620 no
afecta
sustancialmente
este
comportamiento.
Por el contrario, el comp or t am iento de los aceros
tratados con Trietanolamina es muy diferente, la
presencia de elementos alea ntes no se manifiesta
en una mayor resistencia al desgaste, contrario a lo
que dicen las referencias bibliografías.
revenido. estructura formada por b a init a y martensita
que aumenta significativamente la resistencia de
desgaste•.
MICRODUREZAS
Para la toma de las microduresas se cuenta con un
equipo LECO.
La dureza Knoop facilit a la medición
de capas por la forma alargada de la huella. Las
indentaciones se pracicaron a 10. 20. 30.
t
40, 50,
7 0, 100. 120. 150. 200 y 250 micras desde la
superficie del acero en dirección al núcleo, para cada
uno de los a ceros tratados con Urea y Trietanol a min a
respectivamente.
Sin excepción las curvas de desgaste· para los aceros
tratados mostradas en la
la estructura que soport a la capa blanca luego del
Figura. 6. evidencian que la
Se observa, en la Figura 7, la diferencia en los valores
para cada uno de los compuestos utilizados, debido
nitrocarbur ación realizada con Urea y t rietanol amina
principalmente al hecho de que la Tri et anol a min a
al desgaste de los aceros tratados. Existen diferencias
cantidad de austenita retenida. que disminuye la
aporta grandes beneficios aumentando la resistencia
produce una capa más prof unda . S e tiene una mayor
en los resultados en contrados con cada compuesto,
se ve como al utilizar Urea es mayor la resistencia al
desgaste en los dos aceros empleados. posiblemente
•
Physlcal Metallurg:¡.Aspe<:tsoftheAusteniticNitrocarburising
Process. Bell. T, Kinali M. Heat Trea tment of Metals,
pp. 47· 51. vol 2.
causado por un mayor potencial de nitrógeno en la
1987.
Tabla 2. Comparación entre el aumento porcentual de la resistencia al desgaste del acero AISI 1020.
nitroc arb uri zado
TIEM PO (s)
TRIETANOLAMINA
a 700ºC 4 hora s, templado y revenido a 350 ºC. una hora con Urea y Trietanolamina.
5
10
20
30
45
60
90
1 20
76
68
67
65
62
58
58
59
83
75
63
53
53
53
59
80
UREA
150
PR O
58
64%
67
67%
Tabla 3. Comparación entre el aumento porcentual de la resistencia al desgaste del acero AISI 8620,
nitrocarburizado 4 horas a 700ºC, templado y revenido una Hora a 350ºC. Con Urea Y Trietanolamin a.
5
10
20
30
45
60
90
120
150
PRO
TRIETANOL A MINA
68
66
51
48
37
35
37
41
40
48 %
U REA
64
50
50
52
55
61
71
69
46
56%
TIEMPO (S)
AVANCES Investigació n en Ingeniería
·
2007 No. 7
61
Figura 6. Curvas comparativas de desgaste para los
aceros AJSI SA.E
1020 y 8620 nitrocarbunzado con
Urea y Tne tanolam1na a 700 "C 4 h0<as. templ ado y
revenido a 350 •e 1 hora.
1.•
l1'SAYO OE DESGAST
E.
\CERO l020
revenido 1 hora a 350 •c. b. Perfil de dureza del acero
i
1020 mtrocarbur izado con tríetanolamlna a 700 "C 4
horas. tem plado y revenido 1 hora a 350 •c.
(1 ,1
•
1 ::::
�
Mi�ruJure-1¡¡l A«ru 1020 Trn111do
t'l.'ln Ut'f11
1000 �-------�
•
,...�:-:
-+--��
. . .
,,..
�
n
,------�
•
1
Flg 7 a. Perfil de microd urezas del acero 1020
Nitrocarburado con Urea a 700 "C 4 horas, templado y
·
Zonn de Difu¡¡iOO
900
r
s
il
e
d
c
Nudi..v
e
L
e
.
•
..•
º''------'
O T nc:wdull •
... °"'
'
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300
•
•
B
1
•
•
<
•
1,.,
•
'----,,----"'--_J
O
25
.10
1�
ENSAYO DE OESG.ASTEAtEROxn211
100
ISO
125
l,O•r-------,
�ti <:n'klt1�1:'hAci:to 1112n ir.11.-lio ton
rti�•111wh1mln.-
1000--------�
,...
�
0,1
e
! ....
�
•.�
.( O.•
a
�--- -
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!f'8" -
.
·'i
•
...- -
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1<0
o
900
Nucloo
&
•
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� -oo ci • •
j
•• • ••
j
B
�
r. tiOO
i
•
•
•
•
•
\
a
'
4<JO
dureza en la zon a de difusión. Sin embargo, al disminuir
la cantidad de austeníta retenida, la dureza aumenta.
Cuando el tratamiento se r ea liza con Urea. la dureza en
cercanía de la superfic ie es mayor, 850 Knoop. debido
principalmente a que la Urea es un compuesto que
suministra mayor cantidad de Nitrógeno al acer o Los
dos procesos mantienen el mismo comportamiento
luego de las 100 micras de distancia para obtener las
.
mismas durezas que en el núcieo.
El
tratamiento
de
mtrocarburación
austeníttca
rea lizado en los aceros 1020 y 8620, prOduce
un cambio en la dureza superficial del acero que
contribuye a que
se
mejor en las propiedades de
resistencia al desgaste y resistencia a la fatiga. Las
62
AVANCES lnvostlgaclón en Ingeniería • 2007
No. 7
300
•
•
•
•
¡_
º
_
_
_____
_____
25
S-0
15
100
�---
150
125
Di:mind<1 a In Su11crfk1c cl'I Mkrnll
elevadas durezas en la sup er fici e hacen suponer la
presencia del carb onitru ro c.
;
De las Tablas 4 y 5 se puede concluir que las piezas
tratadas muestran un
incremento en
la
dureza
superficial considerable, manifiesto en la mejora de
las propiedades de resistencia al desgast e.
ANÁLISIS QUÍMICO
El análisis químico comprende las quemas hechas
en el espectrómetro de emisión. La siguiente tabla
T
Carbono altos para las temp eraturas a las que se
muestra la composición química del acero luego de
realizar la nitrocarburización con trietanolamina a
700ºC 4 horas, temple y revenido a 350ºC 1 hora.
realizó el tratamiento, utilizando cementantes no
convencionales como el Metanol y el lsopropanol.
Se observa claramente, en las Tablas 6 y 7, la
ENSAYO DE DIFRACCIÓN DE RAYOS X
influencia del tratamiento térmico en la difusión de
Carbono, comportamiento que ayuda a la formación
Los ensayos de difracción de rayos X, se r ealizaron
con un difractómetro Brueler. La nitrocarburación
austenítica realizada con alcoholes y nitrurantes
líquidos, permite obtener una capa superficial de
carbonitruros e y'(, fases que se buscaban al realizar
el proceso como lo muestra la Figura 8. En el acero
del nitruro en la s up erficie del acero tratado. Como
consecuencia de ta transformación de la cementita
en la capa, el tratamiento también muestra cómo la
Urea y la Trietanolamina aportan Carbono a la reacción
de nitrocarburización, se obtienen porcentajes de
Tabla 4.
Acero
1
Dureza inicial y dureza superficial después del tratamiento realizado con urea,
incremen to porcentual de la dureza para los aceros consi derad o s.
1
�
Dureza Inicial
Dureza superficial
Dureza a 20 micras
1020
345
856
660
248%
19 1%
8620
322
838
650
260%
202%
Valores de dureza HK c a rga 10 gr.
Tabla 5.
Dur ez a inicial y dureza superficial después del tratamiento realizado con trietanolamina,
incr em ento porcentual de la dureza para los aceros considerados.
1
Dureza superficial
1
Dureza a 20 micras
�
Acero
Dureza inicial
1020
345
770
675
223
196
8620
322
910
855
283
266
Valores de dureza H K carga 10 gr.
Tabla 6. Composición química luego de la nitrocarburización con Trietanolamina a 700ºC 4 hOras,
templado y r ev enido a 350°C 1 hora en el acero AISI 1020.
1
Acero
1020 T*
1020 T,R**
c
Cr
1,13
0,1
0.85
0,1
1
NI
1
0.1
Mo
Mn
o
0,7
o
0,1
1
V
o
1
o
0,7
Co
o
0.02
1
w
o
o
1
p
s
0.02
0,02
0,02
0,06
1
Si
0,1
0.1
*Templado,** Templado y revenido.
Tabla
7. Composición química luego de la nitrocarburización con ur ea a 700ºC 4 horas.
templado
Acero
1
c
Cr
y revenido a 350 ºC 1 hora en el acero AISI 8620.
Ni
8620 T*
0,99
0,5
0.4
8620 T,R**
0,74
0,5
0,5
1
Mo
0.2
0.2
1
Mn
0,8
0,9
1
V
o
o
1
Co
w
p
o
o
0,02
0.03
o
0,02
1
s
SI
0,02
0,2
0,03
0.2
Templado, ** Templado y Revenido
AVANCES Investigación en Ingeniería. 2007 No. 7
63
Figura. B. EnsaYo de difracción de Rayos X en el
acero AJSI 1020 nitrocarburizado con Tnetanolam1na
a 700 °C durante 4 horas. templado y revenido 1
hOra a 350 'C. cuya micrograña aparece en la parte
superior.
Se observa cómo en
los aceros tratados se obtuvo
una resistencia mayor a la corrosión ocasionada por la
presencia de una capa de carbonitruros e que brinda
buenas propiedades de resistencia a la corrosión,
como lo indican las refer enci as bibliográficas.
so '
METALOGRAFÍA
45
Los ensayos metalográficos se realizaron en el
analizador de imágenes.
40
En la Figura 10 se observan las estructuras formadas
por el tratamiento r eali zado con Ur ea. atacado con
Nital al 5%. es notoria la capa de martensita que
soporta la capa de carbon1truros. mucho más clara
Figura 9. Pérdida de masa por corrost6n en
el acero AISI SAE 1020Y 8620 n it rocarbu ri zado
con Urea y Tnetanola m1na. 700°C 4 horas.
templado y revenido 1 hora a 350"C.
20
© 0'·
©
© G>
0
G> ©»
Ensayo de C-On'oslón Aeero 1020 en
Salin1
Cimara
: �v,..,�1� /i../w�,,¡if_t�vr1t\'tt'l1•1-1rtt""°"
lO
10
40
50
60
70
SO
2-lheta
90
100
110
llfl
AISI 1020 se forman me nos fases que en el acero AISI
0.12
!J
lo.os
� 0.06
�
8620. debidoa la presencia de elementos aleantes en
el acero 8620. lo cua l confirma que existe i nnuencia
0,04
•
0.02
o.oo�----50
o
100
de estos elementos en el resultado del proceso.
Con el fin de tener un parámetro de comparación
con otros estudios realizados, se colocaron probetas
y se midió su pérdida de masa en una balanza de
torsión con una precisión de c entési ma de gra mo.
Los resultados se encuentran representados en la
Figura 9.
64
AVANCES lnvestlgacoón en Ingeniería· 2007 No. 7
200
Tiempo, Hr
§Tratamletito
CORROSIÓN
Los ensayos de corr osión se realizaron en la cámara
salina. Este procedimiento consiste en gen erar una
niebla q u e actúa s ob re las probetas tratadas, esta
niebla se forma cuando se vaporiza una solución
salina de cloruro de sodio al 5% y m ant enemos un
promedio de condensado de 2 mi/ hora de exposición.
Según la norma, las probetas deben estar inclinadas
entre 45 y 60 grados.
•
0,10
t. Trle!anolamina
Ensayo de Desgaste en
o U�
ti Acoro
8620 en Camara Sallna
0.14 ,-------- ---
-
0.12
•
• 0,10
•
l
•
0.08
.:
.: 0.06
,.
i 0.04
"'
B �
0.02
0.00
o
50
100
�
150
200
Tlempo Horas
I Sin Tratamiento
•
•
Trletanolamina
oureaI
Figura 10. Acero 1020 nitrocarburizado con Urea a
Figura 11. Acero 8620 nitrocarburizado con Urea
con Nital. X800.
ataque con Nital. X800.
700 "C. templado y revenido 1 hora a 350 "C. ataque
en et acero 1020 que en el 8620 debido, como
se
m en cionó anteriormente. a la presencia de elementos
ateantes en el acero 8620.
CONCLUSIONES
Es posible realizar el tratamiento de nitrocarburación
austenítica empleando nitrurantes como la Urea y la
Trietanolamin a. diluidos en Metano! e lsopropanol.
Se encon trar o n condiciones de tiempo, temperatura
y composición de las mezclas que permiten obtener
buenos resultados a menor costo.
La nitrocarburación austenítica realizada con Urea
y Trietanolamina es una alternativa, en lugar de
utilizar amoníaco. debido a su menor costo. pues los
componentes y los equipos utilizados así lo permiten.
Los dos a ceros empleados presentan luego de ta
nltrocarburaclón austenítica. incrementos Importantes
de ta dureza superficial como resultado de tos cambios
a 700 "C, templado y revenido 1 hora a 350 °C.
químicos y microestructurales que se presentan. La
nitroca rburación austenit1ca de los aceros 1020 y
8620 con nitrurantes líquidos diluidos en alcoholes
a 700ºC durante 4 horas, con una etapa previa de
oxidación durante 1hora a 400ºC: y luego un revenido
a 350ºC durante una hora, permiten obtener una
capa superficial formada por dos estructuras, una
exterior de aproximadamente 7 micras de espesor
constituida por nitrocarburo e y soportada por una
capa de martensita revenida de aproximadamente
100 micras de profundidad. El tratamiento mej ora las
propiedades de resistencia al desgaste en los aceros
tratados en un 65% e n promedíO para el acero 1020 y
52% para el acero 8620, frente a estos m15mos aceros
sin tratar. El tratamiento térmico de revenido afecta
tas características de dureza y composición química
de la capa obtenida.
La presente investigación permite adaptar al med io
una nueva tecnología para los procesos termoquímicos
que pretenden modificar la superficie de aceros.
BIBLIOGRAFÍA
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