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NITROCARBURACIÓN AUSTENÍTICA DE LOS ACEROS AISI SAE 1020 Y
8620 MEDIANTE EL EMPLEO DE ALCOHOLES Y NITRURANTES
LÍQUIDOS
Bohórquez Ávila C. A1.
Universidad Libre, Bogotá, Colombia.
[email protected] , [email protected]
RESUMEN
En el presente trabajo se aplican los fundamentos de los procesos de Nitrocarburación tradicionales cuya
finalidad es la de mejorar entre otras las siguientes propiedades: dureza superficial, resistencia al
desgaste, resistencia a la corrosión. Todo esto contando con una ventaja importante de estos procesos que
es la baja o casi nula distorsión dimensional.
El aporte novedoso en este tratamiento es la utilización de urea y trietanolamina disueltos en alcoholes
como el metanol y el isopropanol, en reemplazo del amoniaco (NH3) y gases endotérmicos para ser
utilizadas como fuentes de Nitrógeno y Carbono. Los resultados obtenidos permiten caracterizar el
proceso en tiempos, temperaturas, composición de la mezcla y flujo de la misma en el horno, Obteniendo
perfiles de durezas y microestructuras similares a las encontradas en las referencias bibliografiazas,
permitiendo de esta manera brindar una alternativa para la utilización de este proceso a menor costo. Los
aceros utilizados fueron el AISI SAE 1020 y 8620, con el propósito de observar la influencia de algunos
elementos aleantes en el desarrollo del tratamiento.
Palabras Claves: Nitrocarburación Austenítica, Urea, Trietanolamina, tratamientos termoquímicos
1
Código 1336
PROCESO DE NITROCARBURACIÓN AUSTENITICA
El proceso consiste en un tratamiento termoquímico que comprende la difusión de Carbono y Nitrógeno
desde la superficie 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 producido modifica el
campo de estabilidad de la austenita, 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 700°C y los 820°C, entonces el
tratamiento se hace en un estado de austenización parcial o total del acero lo que causa un
comportamiento diferente a los procesos convencionales de Carbonitruración que se realizan a
temperaturas superiores. Los procesos de Nitrocarburación se dividen en dos grandes grupos:
NITROCARBURACIÓN FERRITICA EN BAÑOS DE SALES1i y NITROCARBURACIÓN
GASEOSA2.ii
La naturaleza de la zona de compuestos obtenidos difiere considerablemente de la encontrada en los
procesos convencionales de nitruración, la capa formada es la combinación de fase gama prima ( γ’ ), que
son Nitruros; y la fase épsilon (ε), está fase doble es inherentemente frágil. Los procesos de
Nitrocarburación producen una fase sencilla en la zona de compuestos llamada “capa blanca”, con lo que
se elimina este problema. Una propiedad que se mantiene de los procesos de nitruración es la dureza con
valores comprendidos entre los 55 y los 70 RC, dependiendo de la composición obtenida en el
tratamiento. La gran diferencia está en que la capa de compuestos queda soportada por una 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 disminuye el Nitrógeno es el elemento que aumenta su
actividad en la superficie del acero. Los procesos de Nitrocarburación han tenido gran importancia por la
mejora en las propiedades superficiales, su principal característica es que se realiza a; relativamente, bajas
temperaturas cercana a los 700°C, esto minimiza la distorsión causada por el cambio brusco de
temperatura.
Todos los Tratamientos de Nitrocarburación buscan básicamente producir una capa de carbonitruros
Epsilon (ε), las porcentajes de carbono y nitrote necesarios para obtener este compuesto se muestran en la
fig 1(Aproximadamente 4% de Ni y 1% de C). En la superficie del acero se forma esta capa soportada por
una zona de difusión de Carbono; zona que al someterla a un enfriamiento rápido se transforma en
Martensita, y al realizar un revenido se convierte en un soporte ideal para la capa de carbonitruros,
modificando las propiedades obtenidas por otros tratamientos similares, esto es independiente del método
de Nitrocarburación que se utilice. La velocidad de crecimiento, composición y propiedades mecánicas de
la capa de compuestos es influenciada directamente por la composición de la atmósfera en la que se
realiza el tratamiento.
Fig. 1. Sección Isotérmica a 700°C del diagrama de fases ternario Fe-C-N que muestra el desarrollo de las
fases durante el proceso de Nitrocarburación 3iii.
Existen referencias de procesos industriales que aplican esta técnica, La empresa Huyton Heat Treatments
Ltda. ha desarrollado tres procesos comerciales de Nitrocarburación Austenítica gaseosa que se realizan
en hornos eléctricos con capacidad de realizar el temple en agua ó aceite, con atmósferas que utilizan un
gas portador de Nitrógeno y Metanol enriquecido con Amoníaco que son las fuentes de Nitrógeno y
Carbono4iv.
Los procesos se hacen en cuatro partes:
Carbonitruración a temperaturas que superan los 700°C.
Disminución de la temperatura hasta 700°C y sostenimiento durante varias horas
Temple en aceite desde los 700°C para transformar la zona que soporta la capa blanca de Austenita a
Martensita.
En algunos casos se realizan tratamientos posteriores para transformar la Austenita retenida en
Martensita o en bainita dependiendo de la aplicación que se le quiera dar a la pieza, esto se obtiene
realizando un tratamiento subcero donde se lleva la pieza a temperaturas comprendidas entre los 70°C y los -120°C ó con un revenido por encima de la temperatura de transformación Ms,
normalmente en el rango de 300°C y 400°C seguido de un enfriamiento al aire.
ATMÓSFERAS PARA NITROCARBURACIÓN AUSTENITICA.
El requerimiento básico de las atmósferas gaseosas para Nitrocarburación es suministrar Nitrógeno y
Carbono simultáneamente a la superficie de materiales ferrosos para producir la fase ε. La generación de
atmósferas obtenidas únicamente por el goteo de líquidos tiene un campo de aplicación amplio, ofrece 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 llevarse 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 Formamida.
Las diferencias, en cuanto a composición química y estructura molecular, de estos compuestos
nitrogenados hace que se presenten variaciones notables en su comportamiento en el horno. En
consecuencia, las características de las atmósferas generadas se diferencian grandemente, principalmente
en cuanto a las posibilidades de regulación y a la eficacia de la incorporación de nitrógeno y carbono.
En la presente investigación se utilizan sustancias orgánicas tales como alcoholes, Trietanolamina y
Urea, para producir la atmósfera deseada. La ventaja 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 deseadas. El
metanol actúa como gas portador y el isopropanol como activador.
PROCESO
El proceso de Nitrocarburación Austenítica que se aplico 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
utilizo un acero AISI 8620. En la Pruebas preliminares se ensayo el tratamiento con aceros de mayor
contenido de carbono es decir AISI 1045, pero no se obtuvieron buenos resultados.
Análisis químico.
La composición química del acero es determinada mediante la quema en el espectrómetro de emisión de
chispa, PV-4. El análisis se realizo en los aceros en le estado de entrega y esta expresado en forma
porcentual, los resultados se muestran la tabla 1.
Tabla 1 Composición de los aceros utilizados en le tratamiento en el estado de entrega.
Aceros
1020
8620
C
0,21
0,19
Cr
0,11
0,57
Ni
0,09
0,51
Mo
0,03
0,19
Mn
0,63
1,22
V
0
0,01
Co
0,01
0.02
W
0,03
0,01
P
0,021
0,03
S
0,013
0,02
Si
0,13
0,2
TEMPERATURAS Y TIEMPOS.
El tratamiento se realizo de la siguiente manera:
• Oxidación
:
1 Hora a 400°C.
• Nitrocarburización :
4 Horas a 700°C
• Temple
:
En Agua
• Revenido
:
1 Hora 350°C.
El anterior proceso se realiza para dos composiciones de la atmósfera diferentes mostradas en la tabal 2,
una basada en Urea y otra en Trietanolamina.
Tabla 2. Composiciones de las mezclas a gotear en el proceso de Nitrocarburación Austenítica.
Urea
Trietanolamina
Metanol
Isopropanol
Gr/100ml
%
%
%
Composición 1
10
-
98
2
6
Composición 2
-
15
83
2
6
Flujo (ml/min)
ENSAYOS.
Con el fin de caracterizar la capa formada mediante el tratamiento se realizaron los ensayos de: desgaste,
difracción de rayos X, metalografía, corrosión, microdureza.
Desgaste
La prueba se lleva acabo 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 de la huella dejada durante el ensayo, este valor se
mide con la ayuda del analizador de imágenes existente en el laboratorio de tratamientos térmicos, como
lo muestra la figura donde se ve la huella dejada y el valor de diámetro expresado en micras, esta huella
esta aumentada 50 veces. Con estos datos se puede hallar el valor del área de esta huella y como el valor
del volumen de material desalojado es proporcional 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 comportamiento de los aceros tratados con
Trietanolamina es muy diferente, la presencia de elementos aleantes no se manifiesta en una mayor
resistencia al desgaste, contrario a lo que dicen las referencias bibliografías.
Los resultados se muestran en la siguiente tabla:
Tabla
3
Comparación
entre
el
aumento
porcentual
de
la
resistencia
al
desgaste del acero AISI 1020 Nitrocarburizado a 700°C 4 Horas Templado y Revenido a 350°C una hora
Con Urea Y Trietanolamina.
TIEMPO (s)
TRIETANOLAMINA
UREA
5
76
80
10
68
83
15
67
81
20
67
75
30
65
63
45
62
53
60
58
53
90
58
53
120
59
59
150
58
67
PROMEDIO
64 %
67 %
Tabla 4 Comparación entre el aumento porcentual de la resistencia la desgaste del acero AISI 8620
Nitrocarburizado 4 Horas a 700°C, Templado y Revenido una Hora a 350°C, Con Urea Y Trietanolamina.
TIEMPO (s)
5
TRIETANOLAMINA 68
UREA
64
10
15
20
30
45
60
90
120
150
PROMEDIO
66
50
59
47
51
50
48
52
37
55
35
61
37
71
41
69
40
46
48 %
56 %
ENSAYO DE DESGASTE ACERO 1020
Ensayo de Desgaste Acero 8620
1,0
1,0
0,9
0,9
Area Removida (mm2)
Area Removida (mm2)
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0
50
Sin Tratamiento
Tiempo (sg)
100
0,3
150
Trietanolamina
0
Trietanolamina
Urea
50
100
Urea Sin tratamineto
150
Tiempo (sg)
Fig. 2 Curvas Comparativas de Desgaste para los aceros AISI SAE 1020 y 8620 Nitrocarburizado con
Urea y Trietanolamina a 700°C 4 Horas, Templado y Revenido a 350°C 1 Hora.
Sin excepción las curvas de desgaste para los Aceros tratados mostradas en la Fig. 2, evidencian que la
Nitrocarburación realizada con Urea y Trietanolamina aporta grandes beneficios aumentando la
resistencia al desgaste de los aceros tratados. Existen diferencias en los resultados encontrados con cada
compuesto, vemos como al utilizar Urea es mayor la resistencia al desgaste en los dos aceros empleados,
posiblemente causado por un mayor potencial de nitrógeno en la atmósfera lo cual genera un aumento de
la dureza superficial. Otro factor que mejora este comportamiento es la estructura que soporta la capa
blanca luego del revenido, estructura formada por bainita y martensita que aumenta significativamente
resistencia de desgaste 5v.
Microdurezas
Microdurezas Acero 1020 Tratado
Con Urea
Microdurezas Acero 1020 tratado con
Trietanolam ina
1000
1000
Zona de Dif usión
Núcleo
900
Zona de Difusión
900
Núcleo
800
800
C
700
a
700
C
p
a
a
600
p
600
a
B
500
B
l
500
l
a
a
n
400
n
400
c
c
a
a
300
300
0
25
50
75
100
125
Dist ancia a la Super f icie (micras)
150
0
25
50
75
100
125
150
Dist ancia a la Superficie en M icras
Fig 4 a. Perfil de Microdurezas del acero 1020 Nitrocarburado con Urea a 700°C 4 horas, templado y
revenido 1 hora a 350°C. b. Perfil de dureza del acero 1020 Nitrocarburizado con Trietanolamina a 700°C
4 horas, templado y revenido 1 hora a 350°C.
Para la toma de las microduresas se cuenta con un equipo LECO, La dureza Knoop facilita la medición
de capas por la forma alargada de la huella. Las indentaciones se practicaron a 10, 20, 30, 40, 50, 70, 100,
120, 150, 200 y 250 micras desde la superficie del acero en dirección al núcleo, para cada uno de los
aceros tratados con Urea y Trietanolamina respectivamente.
Se observa en la Fig 4 la diferencia en los valores para cada uno de los compuestos utilizados, debido
principalmente a que la Trietanolamina produce una capa más profunda. Se tiene una mayor cantidad de
Austenita retenida que disminuye la dureza en la zona de difusión, sin embargo, al disminuir la cantidad
de Austenita retenida la dureza aumenta. Cuando el tratamiento se realiza con Urea la dureza en cercanía
de la superficie es mayor, 850 Knoop, debido principalmente a que la Urea es un compuesto que
suministra mayor cantidad de Nitrógeno al acero. Los dos procesos mantienen el mismo comportamiento
luego de las 100 micras de distancia para obtener las mismas durezas que en el núcleo.
El tratamiento de Nitrocarburación Austenítica realizado en los aceros 1020 y 8620 produce un cambio en
la dureza superficial del acero que contribuye a que se mejoren las propiedades de resistencia al desgaste
y resistencia a la fatiga. Las elevadas durezas en la superficie hacen suponer la presencia del carbonitruro
ε.
Tabla 5. Dureza Inicial y Dureza Superficial después del tratamiento realizado con Urea, incremento
porcentual de la dureza para los aceros considerados .
Acero
Dureza
Inicial
Dureza
Superficial
Dureza a 20
Micras
Incremento de la Dureza %
1020
345
856
660
248%
191%
8620
322
838
650
260%
202%
Superficie
A 20 Micras
Valores de Dureza HK carga 10 gr
Tabla 6. Dureza Inicial y Dureza Superficial después del tratamiento realizado con Trietanolamina,
incremento porcentual de la dureza para los aceros considerados.
Acero
Dureza
Inicial
Dureza
Superficial
Dureza a 20
Micras
Incremento de la Dureza %
1020
345
770
675
223%
196%
8620
322
910
855
283%
266%
Superficie
A 20 Micras
Valores de Dureza HK carga 10 gr
De las anteriores tablas se puede concluir que las piezas tratadas muestran un incremento en la dureza
superficial considerable, que se manifiesta en la mejora de las propiedades de resistencia al desgaste.
Análisis químico
El análisis químico comprende las quemas hechas en el espectrómetro de emisión. La siguiente tabla
muestra la composición química del acero luego de realizar la Nitrocarburización con Trietanolamina a
700°C 4 Horas, Temple y Revenido a 350°C 1 hora.
Tabla 7, Composición química luego de la Nitrocarburización con Trietanolamina
Templado y Revenido a 350°C 1 Hora en el acero AISI 1020.
Acero
C
Cr
Ni
Mo
Mn
V
Co
W
1,125 0,11
0,09
0,03
0,66
0
0,01
0,03
1020 T*
0,846 0,11
0,09
0,02
0,74
0
0.02
0,01
1020 T,R**
a 700°C 4 Horas,
P
0,016
0,017
S
0,019
0,056
Si
0,13
0,14
* Templado, ** Templado y Revenido.
Tabla 8. Composición química luego de la Nitrocarburización con
Revenido a 350°C 1 Hora en el acero AISI 8620.
Acero
C
Cr
Ni
Mo
Mn
V
0,986 0,49
0,38
0,15
0,78
0,01
8620 T*
0,742 0,53
0,51
0,16
0,87
0,01
8620 T,R**
Urea a 700°C 4 Horas, Templado y
Co
0,01
0.03
W
0,03
0,01
P
0,017
0,018
S
0,019
0,027
Si
0,2
0,19
* Templado, ** Templado y Revenido
Se observa claramente en las tablas 7 y 8 la influencia del tratamiento térmico en la difusión de carbono,
este comportamiento ayuda a la formación del nitruro ε en la superficie del acero tratado. Como
consecuencia de la transformación de la cementita en la capa. El tratamiento también muestra como la
Urea y la Trietanolamina aportan carbono a la reacción de Nitrocarburización, obteniendo porcentajes de
carbono altos para las temperaturas a la que se realizo el tratamiento, utilizando cementantes no
convencionales como el Metanol y el Isopropanol.
Ensayo de difracción de rayos x
Los ensayos de difracción de rayos X, se realizaron con un difractómetro Brueler. La Nitrocarburación
Austenítica realizada con alcoholes y Nitrurantes líquidos permite obtener una capa superficial de
carbonitruros ε y γ’, que son las fases que se buscaban al realizar el proceso como lo muestra la fig 3. En
le acero AISI 1020 se forman menos fases que en el acero AISI 8620, debido a la presencia de elementos
aleantes en el acero 8620, lo cual confirma que existe influencia de estos elementos en el resultado del
proceso.
1
2
3
4
5
6
7
Fe2C
ε
Fe3C
Fe4N
α’
γ
FeN
2-theta
Fig. 3 Ensayo de difracción de Rayos X en el acero AISI 1020 Nitrocarburizado con Trietanolamina a
700°C durante 4 horas, templado y revenido 1 hora a 350°C, cuya micrografía aparece en la parte
superior.
Corrosión.
Los ensayos de corrosión se realizaron en la cámara salina, este procedimiento consiste en generar una
niebla que actúa sobre las probetas tratadas, esta niebla se forma cuando vaporizamos una solución salina
de cloruro de sodio al 5%, y mantenemos un promedio de condensado de 2 ml/ hora de exposición. Según
la norma, las probetas deben estar inclinadas entre 45 y 60 grados.
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 centésima de gramo. Los
resultados se encuentran representados en la Fig. 5 a y b
Se observa como en los aceros tratados se obtuvo una resistencia mayor a la corrosión ocasionada por la
presencia de una capa de carbonitruros ε que brinda buenas propiedades de resistencia a la corrosión,
como lo indican las referencias bibliográficas.
Ensayo de Corrosión Acero 1020 en
Cámara Salina
Ensayo de Desgaste en el Acero 8620
en Camara Salina
0,14
0,14
0,12
0,12
Perdida de Masa, gr
Perdida Masa, gr
0,10
0,08
0,06
0,04
0,02
0,10
0,08
0,06
0,04
0,02
0,00
0,00
0
50
100
150
200
250
0
50
Tiempo, Hr
Sin Tratamiento
Trietanolamina
100
150
200
Tiempo Horas
Urea
Sin Tratamiento
Trietanolamina
Urea
Fig. 5. Perdida de masa por Corrosión en el Acero AISI SAE 1020Y 8620 Nitrocarburizado con Urea y
Trietanolamina, 700°C 4 horas, Templado y revenido 1 hora a 350°C.
Metalografía
Los ensayos metalográficos se realizaron en el analizador de imágenes.
Fig 6. a Acero 1020 Nitrocarburizado con Urea a 700°C, templado y revenido 1 hora a 350°C, ataque con
Nital. X800. b Acero 8620 Nitrocarburizado con Urea a 700°C, templado y revenido 1 hora a 350°C,
ataque con Nital. X800.
En la Fig 6 se observan las estructuras formadas por el tratamiento realizado con urea, atacado con nital al
5%, es notoria la capa de martensita que soporta la capa de carbonitruros, mucho más clara en el acero
1020 que en el 8620, debido como se menciono anteriormente, a la presencia de elementos aleantes en el
acero 8620.
CONCLUSIONES
− Es posible realizar el tratamiento de Nitrocarburación Austenítica empleando nitrurantes como la
Urea y la Trietanolamina diluidos en Metanol e Isopropanol. Se encontraron 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 amoniaco, debido a su menor costo, pues los componentes y los equipos utilizados así lo
permiten.
− Los dos aceros empleados presentan luego de la Nitrocarburación Austenítica, incrementos
importantes de la dureza superficial como resultado de los cambios químicos y microestructurales
que se presentan.
− La Nitrocarburación Austenítica de los aceros 1020 y 8620 con Nitrurantes líquidos diluidos en
alcoholes a 700°C durante 4 horas, con una etapa previa de oxidación durante 1 hora a 400°C y luego
un revenido a 350°C durante una hora permite obtener una capa superficial formada por dos
estructuras, una exterior de aproximada mente 7 micras de espesor constituida por Nitrocarburo ε que
esta soportada por una capa de martensita revenida. De aproximadamente
100 micras de
profundidad.
− El tratamiento mejora las propiedades de resistencia al desgaste en los aceros tratados en un 65% en
promedio para el acero 1020 y 52% para el acero 8620, frente a estos mismos aceros sin tratar. El
tratamiento térmico de revenido afecta las características de dureza y composición química de la capa
obtenida.
La presente investigación permite adaptar en nuestro medio una nueva tecnología para los procesos
Termoquímicos que pretenden modificar la superficie de aceros.
1
Knetics of the Gaseosus Nitrocarburising Proces. J Slycke., L Sproge., Surface Engineering, 1989, Vol 5 N2 pg 125
– 140.
2
Physical Metallurgy Aspects of the Austenitic Nitrocarburising Process, T. Bell, M. Kinal, Heat Treatment of
Metals, 1987, vol 2, pag 47 - 51
3
The constitution of Hardened Surfaces Produced by Low-Temperature Carbonitriding. L Kiessling. Heat Treatments
of metals. 1978 No, 4, pg. 95-99.
4
Knetics of the Gaseosus Nitrocarburising Proces. J Slycke., L Sproge., Surface Engineering
5
Physical Metallurgy Aspects of the Austenitic Nitrocarburising Process. Bell. T , Kinali M, Heat Treatment of
Metals, 1987, Pg. 47- 51, vol 2