ABTS - Boletin Electrónico - Acabados superficiales

RESULTADOS DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA EM EL ENSAYO DE RAYADO PARA ACEROS SAE 1020 Y 1045

"Los resultados obtenidos muestran que este tratamiento mejora la resistencia superficial de los acero carbono. Esa característica puede ser optimizada a través de la correcta selección del material (substrato) y del tipo de capa nitrurada."

RESUMEN

En este estudio fue evaluado el efecto del ensayo de esclerometría o resistencia al rayado (scratch test) en capa nitrurada vía plasma en muestras de acero carbono.

El objetivo de la evaluación fue identificar la influencia del tipo de capa nitrurada y la dureza del substrato en la resistencia de la capa nitrurada sometida a un ensayo de rayado.

Fueron evaluados los aceros SAE 1020 en el estado en que fue recibido y el SAE 1045 con tratamiento térmico de templado y revenimiento.

Los materiales fueron nitrurados por plasma en condiciones que formen una capa con fases de nitruro de hierro preferenciales Υ, o ε. Esas fases tienen composición química y estructura diferentes, promoviendo la alteración de las características de dureza y comportamiento durante el desgaste de cada capa nitrurada.

Las muestras fueron nitruradas a 540 ºC por 2 horas. La formación de capas con composición preferencial Υ, (Fe₄N) y ε (Fe_2-3N) fueron obtenidas por la variación de la composición de la atmósfera de nitruración.

Los resultados de la evaluación de microdureza, espesor de la capa nitrurada y la resistencia al rayado muestran que la nitruración a plasma puede presentar mejores resultados para substratos con mayor resistencia.

Palabras llave: Nitruración a plasma, acero carbono, esclerometría.

I. INTRODUCCIÓN

Los aceros al carbono son materiales que tienen como principales características la baja dureza, alto alargamiento y baja resistencia al desgaste, principalmente abrasivo.

Por su disponibilidad, facilidad de usinado y por el bajo costo, los aceros carbono son los más encontrados en la industria. Para el acero SAE 1020 existen pocas posibilidades de tratamientos de endurecimiento. Para el SAE 1045 el tratamiento más común es la templa seguida de revestimiento. Una opción para que esos aceros tengan una mejora de desempeño es la nitruración a plasma.

La nitruración vía plasma, también conocida como iónica, es un proceso en el cual el gas nitrógeno en baja presión es ionizado por una descarga eléctrica. Es un proceso termoquímico y físico donde el nitrógeno atómico reacciona en la superficie del acero con átomos de hierro y elementos de liga formando los nitruros. El plasma para la nitruración es obtenido a través de la aplicación de una descarga eléctrica en las piezas a ser nitruradas, que estarán dispuestas en una mezcla de gases a baja presión, llamada de medio nitrurante, que formará el plasma.

Las reacciones que ocurren en la interfaz sólido-plasma (pieza y medio nitrurante) dan origen a las diferentes fases de nitruro de hierro y otros nitruros, formando una capa compuesta en la superficie de la pieza.

La capa superficial posee elevada dureza y normalmente es constituida por las fases Υ (Fe₄N) y/o ε (Fe_2-3N), pudiendo ser monofásica o polifásica. Las principales ventajas del proceso a plasma en relación a los convencionales (gas-amoníaco y líquido-sales) son la mayor tasa de formación de capas, que reduce el tiempo de tratamiento, la posibilidad de menor temperatura de nitruración y la ausencia total de residuos contaminantes. La Figura I presenta las principales diferencias entre los tratamientos de nitruración.

Figura I – Comparación entre los tratamientos de nitruración

Las principales propiedades que el tratamiento de nitruración vía plasma promueve son la elevada dureza en la superficie, el aumento de la resistencia al desgaste, el aumento de la resistencia a la fatiga superficial, térmica y mecánica, la reducción del coeficiente de fricción y la mejoría de la resistencia a la corrosión.

El Ensayo de esclerometría es un método utilizado para verificar la calidad y la resistencia de capas superficiales endurecidas o capas depositadas. El ensayo es realizado por la formación de una raya por una puntera sobre la muestra. Sobre esa puntera es aplicada una carga y la puntera es dislocada con una velocidad constante, formando una raya, conforme la Figura 2. La carga aplicada sobre la puntera es aumentada hasta que ocurran grietas en la capa nitrurada.

El valor de la carga en el cual se inician las grietas es considerado el valor de carga crítica, o sea, donde el conjunto capa + substrato resistió hasta presentar falla.

Figura 2 – Dibujo ilustrativo del ensayo de esclerometría

Los resultados de los ensayos muestran las principales diferencias de resistencia para la variación de algunas condiciones del tratamiento de nitruración vía plasma y para los dos materiales ensayados.

2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Y ANÁLISIS

2.1 Material

Los aceros evaluados en este trabajo fueron el SAE 1020 y el SAE 1045. La composición química nominal de esos aceros es presentada en la Tabla I.

Tabla I – Composición química nominal de los aceros SAE 1020 y SAE 1045

La muestra de acero 1045 fue templada y revenida. El ciclo de tratamiento térmico fue realizado con precalentamiento hasta 500 ºC, austenitización a 860 ºC y enfriado en salmuera a 180 ºC. El revenimiento fue realizado a 560 ºC.

2.2 Preparación del material

El material fue retirado de una chapa y cortado en cuerpos de prueba con dimensiones aproximadas de 50 x 25 x 10 mm. Las muestras fueron rectificadas y lijadas hasta la granulometría 600. Una de las fases fue pulida con granulometría 3 µc para la realización del ensayo de microdureza.

2.3 Tratamiento de nitruración

Fueron utilizadas dos condiciones de nitruración en un reactor de nitruración a plasma industrial (Figura 3). Las capas formadas fueron evaludas por microdureza y metalografía para el análisis del espesor. Los resultados de microdureza y espesor están en la Tabla 2, en resultados y discusiones.
Las muestras fueron nitruradas con:
- 25 % N₂ + 75 % H₂ para formar capa preferencial Y (Fe₂N)
- 75 % N₂ + 25 % H₂ para formar capa preferencial ε (Fe_2-3N)

Temperatura de 540 ºC.
Tiempo de 2 horas.
Flujo de gas utilizado: 6,67 cm₃/s y presión de 3 Torr.

Figura 3 – Reactor de nitruración utilizado para el tratamiento

2.4 Ensayo de esclerometría

El ensayo de esclerometría fue realizado en equipo con indentador cónico de diamante.
Para los ensayos fueron utilizados:
- Velocidad constante: 260 µc/s
- Cargas (N): 0,25 – 0,50 – 1,00 – 2,00 – 3,00

3. RESULTADOS Y DISCUSIONES

El resultado de la nitruración a plasma es presentado en la Tabla 2 y las micrografías en la Figura 4. Todos los materiales presentaron aumento del valor de microdureza superficial. Los valores de microdureza Vickers encontrados muestran que la impresión ocurrió solamente en la capa blanca (capa efectiva compuesta solamente por nitruros) y no es posible concluir que una fase es más dura que otra, debido a la dispersión estadística en los resultados de la medición. Para el tiempo utilizado para la nitruración en un reactor con dimensión industrial, los espesores de capa nitrurada blanca presentaron valores normales.

Tabla 2 – Resultados de la nitruración a plasma de los aceros SAE 1020 y 1045

El ensayo de rayado evidencia la importancia del substrato como parte del conjunto que va a contribuir para la mejoría de la propiedad del material. El ensayo también presenta como resultado el mejor desempeño de las capas ricas en fase ε. Esa fase es más rica en nitrógeno y, según la literatura, es más dura que la fase Y'. La combinación substrato (núcleo) con mayor dureza con la capa ε resultó en mayor resistencia al rayado para capa nitrurada en el acero 1045 templado y revenido. Los resultados pueden ser observados en la Tabla 3 y en las Figuras de 5 a 9.

Tabla 3 – Carga crítica – inicio de grietas en la capa nitrurada

* Carga crítica no medida

a) Acero 1020 nitrurado con capa preferencial Y’

b) Acero 1020 nitrurado con capa preferencial ε.

c) Acero 1045 templado y revenido con capa preferencial Y’.

Figura 4 – Fotos a, b y c: Microestructura de los aceros mostrando la capa nitrurada

Las capas nitruradas para todos los aceros tuvieron buena formación y ausencia da porosidad.
Las Figuras 5 y 6 comparan, a través del análisis de la imagen, la raya para las cargas de 0,27 N y 1,0 N para el acero SAE 1020. Para ese acero, la ruptura de la capa nitrurada se inició con carga de 0,5 N y con carga de 1,0 N hubo ruptura total. La capa compuesta preferencialmente por estructura ε presentó un mejor (mayor) resultado de resistencia de la capa que el mismo acero con fase Y’.

Figura 5 – Superficie del acero SAE 1020 nitrurado 2 hs, 540 ºC, 25 % N 2 + 75 % H 2 , con raya del ensayo de esclerometría con carga normal de 0,27 N.

Figura 6 – Superficie del acero SAE 1020 nitrurado 2 hs, 540 ºC, 25 % N 2 + 75 % H 2 , con raya del ensayo de esclerometría con carga normal de 1,00 N

Las Figuras 7 y 8 muestran los resultados micrográficos del ensayo de raya para todas las cargas utilizadas. El destaque presenta la región ampliada que presentó grietas en la capa nitrurada. Compara muestras de los aceros con la capa que presentó la menor resistencia (carga crítica 0,5 N) con la que tuvo mejor resultado (carga crítica 3,0 N)

Figura 7 – Ensayo de esclerometría (raya) mostrando todas las cargas normales para el acero SAE 1020 nitrurado 2 hs, 540 ºC, 25 % N 2 + 75 % H 2 . En evidencia la carga normal de 0,5 N

Figura 8 – Ensayo de esclerometría (raya) mostrando todas las cargas normales para el acero SAE 1045 templado y revenido, nitrurado 2 hs, 540 ºC, 25 % N 2 + 75 % H 2 . En evidencia la carga normal de 3,0 N

Las capas nitruradas son consideradas frágiles cuando sus propiedades son comparadas con las de los aceros sin el tratamiento. Los ensayos muestran que las capas comportan cargas, ocurriendo deformación plástica. La Figura 9 muestra el análisis metalográfico de la sección transversal a la raya para una muestra de acero SAE 1045, presentando la deformación realizada sobre la capa por el paso del indentador con dos cargas diferentes.

Acero 1045, raya con carga de 0,27 N

Acero 1045, raya con carga de 3,0 N

Figura 9 – Sección transversal del ensayo de esclerometría para las cargas de 0,27 N (a) y 3,0 N (b) para el acero SAE 1045 nitrurado 2 hs, 540 ºC, 25 % N 2 + 75 % H 2

4. CONCLUSIONES

El principal resultado de la nitruración es el aumento de la vida útil de las piezas y componentes tratados. La propiedad que verifica el tratamiento es la microdureza de la superficie. El ensayo de esclerometría es uno de los modos para evaluar la resistencia de la capa, simulando uno de los mecanismos de desgaste de las piezas.

Los resultados obtenidos muestran que el tratamiento de nitruración a plasma mejora la resistencia superficial de los aceros carbono. Esa característica puede ser optimizada a través de la correcta selección del material (substrato) y del tipo de capa nitrurada. El único proceso de nitruración que permite la selección del tipo de estructura de la capa es el proceso a plasma.

La característica de mayor relevancia en ese ensayo fue la dureza del substrato en el cual fue realizada la nitruración. La resistencia, representada en este estudio por la dureza del núcleo del material, puede aumentar significativamente la calidad de la superficie frente a la solicitación de desgaste

5. REFERENCIAS

Chatterjee-Fischer, Ruth e 8 co-autores. “Wärmebehandlung von Eisenwerkstoffen: - Nitrieren und Nitrocarburieren”, Ed. Expert Verlag, Alemanha, 1995.
Chiaverini, Vicente. “Tratamentos Térmicos das Ligas Ferrosas”, Ed. ABM, 2ª Edição, 1987, São Paulo, Brasil, 1987.
Alves Jr., C. “Nitretação a Plasma: Fundamentos e Aplicações”, Ed. UFRN, Natal, 2001.
Souza, A.S., “Composição química dos aços “, Ed. Edgard Blücher, São Paulo, Brasil, 1989.

Adriano Moreno, Jean Carlo M. Braga y Wilsterman M. Martins
SDS Plasma – Intec Tecpar – Curitiba – PR.