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