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ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA PARA ACEROS AISI 4340 Y AISI
4140 Y COMPARACION CON EL PROCESO INDUSTRIAL TENIFER
DANIEL MAURICIO FRANCO QUINTERO
Proyecto de Grado para Ingeniero Mecánico
Asesor:
Profesor JAIRO ARTURO ESCOBAR, Dr. Ing. Mec.
Universidad de los Andes
Departamento de Ingeniería Mecánica
Bogotá, 2010
1
TABLA DE CONTENIDO
Lista de Figuras .................................................................................................................................... 3
Lista de Tablas ..................................................................................................................................... 6
1. Introducción .................................................................................................................................... 7
1.1 Contextualización ...................................................................................................................... 7
1.2 Objetivo del proyecto ................................................................................................................ 8
2. Marco Teórico ................................................................................................................................. 9
2.1 Estado del arte .......................................................................................................................... 9
2.2 La nitruración .......................................................................................................................... 12
2.2.1 El proceso de nitruración ................................................................................................. 12
2.2.2 Microestructura ............................................................................................................... 13
2.2.3 Aceros para nitruración .................................................................................................... 16
2.3 La nitruración por plasma ....................................................................................................... 17
2.3.1 El proceso de nitruración por plasma .............................................................................. 18
2.3.2 parámetros del proceso ................................................................................................... 19
2.3.3 Ventajas y desventajas ..................................................................................................... 23
2.4 Nitrocarburización ................................................................................................................... 24
2.4.1 El proceso de nitrocarburización ...................................................................................... 24
2.4.3 Microestructura ............................................................................................................... 24
2.4 Nitrocarburización Líquida (tenifer) ........................................................................................ 25
2.4.1 El proceso tenifer ............................................................................................................. 25
2.4.2 Parámetros del proceso ................................................................................................... 26
2.4.3 Ventajas y desventajas ..................................................................................................... 26
3. Metodología y Procedimiento Experimental ................................................................................ 27
3.1 Caracterización del reactor de plasma .................................................................................... 27
3.1.1 Características del reactor de plasma utilizado ............................................................... 28
3.1.2 Puesta a punto del reactor ............................................................................................... 36
3.2 Fase de exploración experimental sobre el proceso de nitruración por plasma .................... 41
3.2.1 Caracterización de los aceros adquiridos para nitruración .............................................. 41
3.2.2 Fase de Exploración .......................................................................................................... 43
3.2.3 Fase de Selección del mejor proceso de nitruración ....................................................... 45
3.3 Estudio del proceso de tenifer realizado por la industria ....................................................... 46
2
3.3.1 Parámetros del proceso de Tenifer realizado por la industria ......................................... 46
3.4 Caracterización de las muestras .............................................................................................. 47
3.4.1 Preparación de las muestras ............................................................................................ 47
3.4.2 Caracterización de la microestructura ............................................................................. 48
3.4.3 Caracterización de las propieades mecánicas .................................................................. 51
3.5 Análisis estadístico de confiabilidad ....................................................................................... 52
3.5.1 Análisis de variancias ANOVA ........................................................................................... 52
4. Resultados y análisis ...................................................................................................................... 54
4.1 Caracterización del reactor de plasma .................................................................................... 54
4.1.1 Diseño y construcción de la base del reactor ................................................................... 54
4.1.2 Diseño y construcción de los electrodos .......................................................................... 56
4.1.3 Caracterización del sistema de vacío ............................................................................... 57
4.1.4 Caracterización de la descarga ......................................................................................... 58
4.2 Caracterización del proceso de nitruración por plasma obtenido en el laboratorio .............. 60
4.2.1 Caracterización de los aceros para nitruración ................................................................ 60
4.2.2 Caracterización de la fase de exploración del proceso de nitruración por plasma sobre el
acero AISI 4340 .......................................................................................................................... 62
4.3 Comparación entre el proceso nitruración por plasma y el tenifer para los aceros AISI 4140 y
4340 ............................................................................................................................................... 67
4.3.1 Selección de los ciclos de nitruración por plasma para comparación con el proceso
tenifer ........................................................................................................................................ 67
4.3.2 Comparación entre los procesos ...................................................................................... 67
5. Conclusiones.................................................................................................................................. 73
5.1 Conclusiones del proceso de nitruración por plasma ......................................................... 73
5.2 Conclusiones de la comparación entre los procesos de nitruración por plasma y el tenifer
................................................................................................................................................... 74
6. Anexos ........................................................................................................................................... 75
6.1 Planos de la base del reactor .................................................................................................. 75
6.2 Planos electrodos .................................................................................................................... 76
7. Bibliografía .................................................................................................................................... 77
3
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Contextualización de la temática del proyecto. ................................................................................. 7
Figura 2. Tratamientos estudiados en este proyecto ........................................................................................ 8
Figura 3. Tres zonas: Capa blanca, Zona de difusión y núcleo del material. Micrografía de una acero
sometido a un proceso de nitruración (1). ....................................................................................................... 14
Figura 4. Diagrama de fases Hierro-Nitrógeno. (1) .......................................................................................... 14
Figura 5. Perfil de durezas, capa blanca y zona de difusión. a) esquema del perfil de durezas. b) perfil de
durezas sobre un acero inoxidable martensítico AISI 410 tratado por Tenifer (10). ....................................... 15
Figura 6. Comportamiento de la dureza en función de los elementos de aleación (1). .................................. 16
Figura 7. Efecto de la profundidad de nitruración en función del porcentaje de aleantes que los constituyen
(1). .................................................................................................................................................................... 17
Figura 8. Interacción entre las partículas y el material ubicado en el cátodo. (1) ........................................... 19
Figura 9. Temperatura del cátodo en función de la mezcla de Hidrógeno- Argón (P=1 torr, V=500 V). (12).. 20
Figura 10. Relación entre la distancia de colisión y la presión. ....................................................................... 21
Figura 11. Curva de Paschen para la caracterización de la descarga en función del voltaje y la corriente. (1)22
Figura 12. Estructura de los aceros nitrocarburados, tres zonas: capa blanca, zona difusión y núcleo de
material. Acero 4340 tratado por Tenifer, capa blanca y zona de difusión. (8) ............................................... 25
Figura 13. Esquema general de la Metodología y Procedimiento experimental. ........................................... 27
Figura 14. Esquema del reactor de plasma utilizado para realizar los procesos de nitruración (6). ............... 28
Figura 15. Fotografía de la fuente de voltaje mostrando sus componentes internos..................................... 29
Figura 16. Configuraciones posibles para los electrodos. ............................................................................... 30
Figura 17. Configuración de electrodos utilizada. ........................................................................................... 30
Figura 18. Fuente auxiliar de voltaje, diseñada y construida por Campo Fritz y Jaime Ramirez. .................... 31
Figura 19. Esquema de la cámara del reactor (6). ........................................................................................... 32
Figura 20. Fotografía de la bomba de vacío. ................................................................................................... 33
Figura 21. Fotografía del manómetro capacitivo. ........................................................................................... 33
Figura 22. Fotografía de los controladores de flujo AALBORG. ....................................................................... 34
Figura 23. Sistema de distribución de gases dentro de la cámara (17). .......................................................... 35
4
Figura 24. Diagrama de cuerpo libre de la base del reactor sometido a las presiones de trabajo. ................ 36
Figura 25. Configuración de los electrodos y estructura del cátodo. .............................................................. 38
Figura 26. Curvas de Paschen para diferentes gases (18). .............................................................................. 39
Figura 27. Micrografías de aceros sometidos a un proceso de bonificado donde podemos apreciar la
estructura llamada martensita revenida (bainita), la primera foto fue tomada en el microscopio óptico (OM)
y las demás en el electrónico (SEM). (19) ......................................................................................................... 42
Figura 28. Procedimiento para preparación de las muestras, Esquema tomado de la referencia (7). ........... 48
Figura 29. Análisis de la microestructura utilizando la herramienta EDS del microscopio electrónico (MEB). 49
Figura 30. Cuantificación de la capa blanca, acero AISI 4140 tratado por Tenifer durante 2h, 5% Nital, 1000x.
.......................................................................................................................................................................... 49
Figura 31. Selección de la capa blanca que va a ser analizada por medio del software IMAGEJ (7). .............. 50
Figura 32. Análisis de la imagen utilizando la herramienta threshold del software IMAGEJ. ......................... 51
Figura 33. Diagrama de cuerpo libre en ANSYS. .............................................................................................. 54
Figura 34. Análisis de esfuerzo equivalente de Von mises para el diseño. ..................................................... 55
Figura 35. Análisis de deformación unitaria sobre la pieza diseñada. ............................................................. 55
Figura 36. Reactor de plasma con la nueva base de acero inoxidable. .......................................................... 56
Figura 37. Caracterización del sistema de vacío (Bomba on). ......................................................................... 57
Figura 38. Caracterización del sistema de vacío (Bomba off). ......................................................................... 58
Figura 39. Caracterización de la descarga, P=3mbar. ...................................................................................... 59
Figura 40. Caracterización de la descarga, P=4mbar. ...................................................................................... 59
Figura 41. Caracterización de la descarga, P=8mbar. ...................................................................................... 60
Figura 42. Micro estructura de los Aceros AISI 4140 y 4340, martensita revenida. Micrografías 1000X, 5%
Nital. a) Acero AISI 4140, b) acero AISI 4340 y c) Ampliación de la microestructura del acero AISI 4140. ...... 61
Figura 43. Micrografías del Acero AISI 4340 tratado por plasma, 1000X atacado al 5% Nital. a) Tratamiento
de 2 horas a 480 ˚C. b) Tratamiento 4 h a 480 ˚C. c) Tratamiento de 2 h a 550 ˚C. d) Tratamiento de 4h a
550˚C. ............................................................................................................................................................... 62
Figura 44. Tamaño de la capa blanca en función del tiempo y la Temperatura. Acero 4340 Nitrurado por
plasma. Intervalo de confianza 95%. ................................................................................................................ 64
Figura 45. Análisis de porosidad en los tratamientos por plasma. Micrografías MEB: a) Acero 4340 nitrurado
por plasma a 480 ˚C por 2h. b) Acero 4340 nitrurado por plasma a 480 ˚C por 4h. c) Acero 4340 nitrurado por
plasma a 550˚C por 2h. d) Acero 4340 nitrurado por plasma a 550 ˚C por 4h. ................................................ 65
5
Figura 46. Medición del porcentaje de porosidad en la capa blanca para los tratamientos por plasma. ....... 65
Figura 47. Perfil de dureza para diferentes ciclos de nitruración por plasma. ................................................ 66
Figura 48. Comparación de la capa blanca entre la nitruración por plasma y el Tenifer. Micrografías: a) Acero
4340 tratado por Tenifer a 560 ˚C por 2h. b) Acero 4340 nitrurado por plasma a 550 ˚C por 4h. c) Acero 4140
tratado por Tenifer a 560 ˚C por 4h. d) Acero 4140 nitrurado por plasma a 550 ˚C por 4h. ........................... 68
Figura 49. Comparación del tamaño de la capa blanca obtenida por los procesos de nitruración por plasma y
Tenifer para los aceros AISI 4140 y 4340. Intervalo de confianza 95%. ........................................................... 69
Figura 50. Comparación de la porosidad entre el proceso de nitruración por plasma y el Tenifer.
Micrografías: a) Acero 4340 Nitrurado por plasma a 550 ˚C por 4h. b) Acero 4340 tratado por Tenifer 560 ˚C
por 2h. c) Acero 4140 Nitrurado por plasma a 550 ˚C por 4h. d) Acero 4140 tratado por Tenifer a 560 ˚C por
2h. ..................................................................................................................................................................... 70
Figura 51. Comparación entre el porcentaje de porosidad para los tratamientos de nitruración por plasma y
Tenifer. Intervalo de confianza al 95%. ............................................................................................................ 71
Figura 52. Comparación entre procesos de nitruración para los aceros AISI 4340 y 4140. El proceso de
nitruración gaseosa fue tomado de la literatura (22). ..................................................................................... 72
6
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Comportamiento del aire a 20˚C en diferentes regímenes de presión (13). ...................................... 21
Tabla 2. Especificaciones generales de la fuente de voltaje............................................................................. 29
Tabla 3. Especificaciones generales de la bomba de vacío. ............................................................................. 32
Tabla 4. Especificaciones generales de los controladores de flujo, * ruido máximo 20 mV pico a pico. ......... 34
Tabla 5. Composición química elemental del acero AISI 4140 bonificado. ...................................................... 42
Tabla 6. Composición química elemental del acero AISI 4340 bonificado. ...................................................... 42
Tabla 7.Durezas de los aceros AISI 4140 y 4340 bonificados. .......................................................................... 42
Tabla 8. Parámetros seleccionados para los ciclos de nitruración. .................................................................. 44
Tabla 9. Cálculos para realizar el análisis de varianzas ANOVA (21). ............................................................... 53
Tabla 10. Análisis de composición química del acero AISI 4140. ..................................................................... 60
Tabla 11. Análisis de composición química del acero AISI 4340. ..................................................................... 61
Tabla 12. Durezas de los Aceros AISI 4140 y 4340 adquiridos en la industria. ................................................. 62
Tabla 13. Tamaño de la capa blanca para los diferentes ciclos, Acero 4340 Nitrurado por plasma. ............... 63
Tabla 14. Comparación tamaño de la capa blanca entre el proceso de nitruración por plasma y el Tenifer. . 69
Tabla 15. Comparación entre el porcentaje de porosidad en la capa blanca obtenido por plasma y el Tenifer.
.......................................................................................................................................................................... 71
7
1. INTRODUCCIÓN
1.1 CONTEXTUALIZACIÓN
Figura 1. Contextualización de la temática del proyecto.
Existen diferentes tratamientos térmicos de endurecimiento superficial de aceros por medio de la difusión
termoquímica entre los cuales tenemos: la boruración, carburización, carbonitruración, nitruración y la
nitrocarburización. Este proyecto se concentra en el estudio de los tratamientos de nitruración y de
nitrocarburización debido a que son procesos que se realizan a bajas temperaturas en comparación con los
otros tratamientos de endurecimiento superficial, permitiendo que las piezas no sufran grandes cambios
dimensionales y logrando obtener durezas en la superficie relativamente altas en comparación con el núcleo
del material. En la Figura 1 se muestra un esquema indicando los diferentes tratamientos y las
temperaturas a la que se realizan los procesos.
Para realizar el tratamiento de nitruración y nitrocarburización existen diferentes métodos que son:
Por medio de un baño de sales (nitruración o nitrocarburización líquida)
Por medio de una atmosfera gaseosa.
Por medio del plasma.
En la figura 2 se puede ver un esquema general de los métodos para los tratamientos de nitruración y
nitrocarburización.
Tratamientos de endurecimiento superficial por
difusión termoquímica
Boruración
Difusión de Boro. Temperaturas entre
550 y 1095˚C.
Carburización
Temperaturas entre 850 y 950 ˚C. Carbón es altamente soluble
en Austenita.
Carbonitruración
Difusión de carbono y nitrógeno en la
Austenita. Temperatura entre
775 y 900˚C.
Nitrocarburización
Difusión de carbono y nitrógeno en ferrita. Temperaturas entre
450 y 590 ˚C.
Nitruración
Difusión de nitrógeno, Temperaturas entre
400 y 550 ˚C.
8
Figura 2. Tratamientos estudiados en este proyecto
En la industria colombiana se realiza un proceso llamado Tenifer, el cual corresponde a un tratamiento de
nitrocarburización líquida. Este tratamiento es muy popular debido al bajo costo de los equipos y el
consumo de insumos. Por otro lado se tiene la nitruración por plasma, el cual es un proceso más complicado
que el Tenifer en cuanto a la tecnología de los equipos, pero ha demostrado tener ventajas en cuanto al
control del proceso y la no producción de desechos tóxicos. El objetivo general del proyecto es demostrar
que el proceso de plasma puede llegar a competir con el Tenifer en cuanto a la obtención de propiedades
tanto microestructurales como mecánicas. Para esto se decidió hacer el estudio sobre los aceros de bajo con
tenido de elementos aleantes AISI 4140 y 4340 porque son aceros ampliamente utilizados en la industria y
según lo estudiado en la literatura (1) presentan un muy buen comportamiento cuando son sometidos a
estos tipos de tratamientos de endurecimiento superficial.
1.2 OBJETIVO DEL PROYECTO
El objetivo general del proyecto es demostrar que el tratamiento de nitruración por plasma puede competir
con el tratamiento industrialmente utilizado de Tenifer en cuanto a la obtención de propiedades
microestructurales y mecánicas para los aceros AISI 4140 y 4340.
Las propiedades que se comparar son:
A nivel de la microestructura: microestructura y fases presentes después del tratamiento, tamaño
de la capa blanca y porosidad de la capa blanca.
A nivel de las propiedades mecánicas: perfil de micro durezas en la zona de difusión.
Tipos de tratamientos estudiados
Nitrocarburización
Gaseosa Plasma Líquida
Tenifer
Proceso realizado en la industria
Colombiana
Nitruración
Líquida Plasma
Proceso realizado en Universidad de
los Andes
Gaseosa
9
2. MARCO TEÓRICO
El propósito de este capítulo es explicar los conceptos básicos de los tratamientos de nitruración y
nitrocarburización, enfocándonos principalmente en el proceso de nitruración por plasma. Para esto se
empieza estudiando un poco de historia mostrando los avances que se han alcanzado a través de los años en
el tema de nitruración y la nitruración por plasma. Después se explican los conceptos básicos de la
nitruración para poder pasar a estudiar la nitruración por plasma. La última parte del capítulo se dedica a
estudiar brevemente el tratamiento de nitrocarburización haciendo énfasis en el proceso de Tenifer.
2.1 ESTADO DEL ARTE
El proceso de nitruración fue estudiado por primera vez en 1900 por el ingeniero de metalurgia Adolph
Machlet. Adolph descubrió que el proceso de endurecimiento térmico superficial fabricado por medio de la
carbonización tenía una serie de problemas en cuanto a estabilidad dimensional de la pieza tratada. Durante
una serie de experimentos se dio cuenta que el nitrógeno era soluble en el hierro, que la difusión de
nitrógeno podría producir un endurecimiento de la superficie de un acero y también mejorar sus
propiedades mecánicas. Este proceso fue realizado sin necesidad de aumentar mucho la temperatura del
material (por debajo de la temperatura de austenización) y más importante aún sin necesidad de enfriar
rápidamente, lo cual es la causa de la distorsión del material cuando es templado. Machlet desarrolló la
primera patente para un proceso de nitruración en marzo de 1908 en Elizabeth, New Jersey, la cual llevaba
como título “The nitrogenization of Iron and Steel in an Amonia Gas Atmosphere into which an Excess of
Hydrogen Has Been Introduced”. (1)
Por otro lado en Europa también se venían desarrollando estudios acerca del proceso de nitruración. Adolph
Fry, considerado el “padre de la nitruración”, realizaba en Alemania investigaciones acerca del proceso de
nitruración. Al igual que Machlet, Fry pudo reconocer la solubilidad del nitrógeno en hierro a una
determinada temperatura. También descubrió el efecto de los elementos aleantes sobre los resultados del
proceso. Fry aplicó por su patente en 1921. El usaba una técnica muy parecida a la de Machlet con la
diferencia de que el no usaba el hidrógeno como gas diluyente. Fry también investigó los efectos de los
elementos aleantes en el endurecimiento de las superficies, descubriendo que el proceso de nitruración solo
produce un alto grado de dureza superficial en aceros que contienen cromo, molibdeno, aluminio, vanadio y
tungsteno. (1)
10
Después de los aportes hechos por Fry, continuaron las investigaciones en el tema tratando de variar los
parámetros del proceso para observar comportamientos característicos. Mc Quaid y Ketcham, ingenieros
metalúrgicos de la compañía Timken Detroit Axle, realizaron una serie de investigaciones para evaluar el
proceso de nitruración. Después de dos años presentaron sus resultados (1928): ellos concluyeron que altas
temperaturas tenían un efecto en la dureza de la superficie de los aceros aleados, pero la capacidad de
nitruración bajaba a esas temperaturas. También descubrieron que a altas temperaturas se corría el riesgo
de formar un defecto, produciendo una capa muy frágil sobre el material. McQuaid y Ketcham fueron los
primeros en estudiar la capa blanca formada después del proceso de nitruración. Sus resultados mostraron
que los aceros debían tener una superficie limpia porque de otra forma la capa nitrurada podía exfoliarse y
desprenderse del acero. (2)
Robert Sergeson, asociado con los laboratorios de la corporación Central Alloy Steel Canton Ohio, presentó
un paper en julio de 1929 que repasaba todos los trabajos de Adolph Fry sobre aceros con contenido de
cromo, aluminio, molibdeno, vanadio y tungsteno. (1) (2)
Sergeson estudió los efectos de la temperatura y el flujo de gas sobre los aceros aleados y encontró que si el
flujo de amoniaco era incrementado manteniendo una temperatura de 510 ˚C, la diferencia de resultados no
cambiaba mucho en cuanto a la dureza superficial y al espesor de la capa. También encontró que si
aumentamos la temperatura en el proceso, la capa de nitruración crece pero la dureza disminuye.
Dos profesores del instituto tecnológico de Massachusetts (MIT), V.O. Homerberg y J.P Walsted, estudiaron
los efectos de la temperatura por arriba de los 750 ˚C obteniendo como resultado una menor dureza
superficial y una mayor capa. También ratificaron que la superficie del acero a nitrurar debía estar limpia
antes de realizar el proceso.
Dr Carl F. Floe de MIT estudió la composición de la capa blanca, identificando fases ε y γ´. Él también diseño
un proceso para reducir el grosor de la capa, conocido como proceso de Floe. (1)
El proceso de nitruración por plasma apareció en 1932, gracias a los trabajos realizados por el físico Alemán
Dr. Wehnheldt, el cual debido a una serie de problemas que tenía sobre el control del flujo de descarga,
decide unirse con el físico Suizo Dr Berhard Berghaus. Juntos forman una empresa especialista en
manufactura de equipos para nitruración iónica llamada Klockner Ionen GmbH. (1)
En 1970 el proceso de nitruración empezó a tomar fuerza en la industria Europea después de 70 años de
estudio. En 1964 la fuerza Naval de los Estados Unidos aceptaron que el proceso de nitruración iónica
cumplía con las normas estándares de nitruración y aplicaron el proceso a una gran variedad de materiales y
11
piezas (1). A partir de esta fecha se siguieron realizando más estudios en el proceso de nitruración por
plasma lo cual lleva hasta el día de hoy.
Enfocándose más en el tema de este proyecto, que es la nitruración por plasma en aceros de bajo contenido
de elementos aleantes, se han encontrado una serie de trabajos que han sido realizados por distintas
personas en diferentes partes del mundo en los últimos 20 años.
En 1994, realizaron un estudio acerca del comportamiento a esfuerzo de fatiga de un
acero AISI 4140 después de ser tratado por un proceso de nitruración iónica. El proceso fue investigado
variando las condiciones de temperatura (500-600˚C), tiempo (1-12 h), tratamiento térmico antes de la
nitruración y mezcla de gases ( ). En conclusión encontraron que la resistencia al esfuerzo
de fatiga del acero después de ser nitrurado aumentaba el 35%, además descubrieron que el esfuerzo de
fatiga depende de la dureza superficial de la capa nitrurada y que en la superficie se forman esfuerzos de
compresión responsables de la dureza del material. También encontraron que la dureza superficial del
material depende del tratamiento térmico aplicado sobre el material antes del proceso de nitruración.
En 2004, A. Medina, C. Arganis, P. Santiago y J. Oseguera realizaron un estudio electroquímico sobre la
corrosión que presenta el acero AISI 4140 después de ser nitrurado por plasma y lo compararon con los
resultados obtenidos para un acero sin el tratamiento. El resultado del estudio fue que el acero nitrurado
tiene más resistencia a la corrosión que él no nitrurado debido a la capa blanca formada en la superficie por
el tratamiento, la cual permite la protección contra la corrosión debido a la baja porosidad de la misma. (3)
En el 2006, Sirin Sule, Sirin Kahraman y Kaluc Erdinc hicieron un estudio acerca del comportamiento del
esfuerzo de fatiga de un acero AISI 4340 después de ser sometido a un proceso de nitruración iónica. En los
resultados obtuvieron que la resistencia a la fatiga del acero aumentaba en casi un 90 % y que las grietas se
formaban en una región sub-superficial en la forma llamada “fish eye”. (4)
En la Universidad de los Andes se empezó a estudiar el plasma para el procesamiento de materiales en el
2006. Campo Fritz realizó un trabajo en el cual estudió los parámetros en un horno de plasma de corriente
directa (5) y en el 2007 investigó acerca del proceso de sinterización por plasma. En el mismo año, Dairo
Vizcaíno presentó en su proyecto de grado, una investigación sobre el proceso de nitruración por plasma y el
diseño, construcción y montaje del reactor. Dairo logró diseñar, construir y montar el reactor pero debido al
poco tiempo disponible no alcanzó a realizar el procedimiento experimental que el mismo propuso para
aceros de herramientas. (6)
12
En el 2009 en otro proyecto de grado de la Universidad de los Andes, Juan Guillermo Schlief realizó un
análisis experimental del proceso de nitruración por plasma para aceros para herramientas y comparó los
resultados con el proceso TENIFER® en Colombia. Su trabajo se dedicó a estudiar propiedades como dureza,
porosidad, composición y finalizó haciendo un análisis de costos entre los dos procesos estudiados. (7)
2.2 LA NITRURACIÓN
La nitruración es un tratamiento termoquímico que se utiliza para endurecer los aceros y mejorar sus
propiedades microestructurales y mecánicas. El proceso consiste en la difusión de nitrógeno elemental en la
superficie del acero, ocupando los espacios intersticiales y formando nitruros de hierro. La nitruración es un
proceso que se realiza a una temperatura por debajo de la temperatura de austenización por lo tanto no hay
un cambio en la estructura del material y la estabilidad dimensional de las piezas es mejor que en otros
procesos como por ejemplo en el temple. A manera de comparación, la nitruración opera en un rango
cercano a los 500°C, temperatura relativamente más baja de los 970°C utilizados en la carburización o los
870°C utilizados en la carbonitruración. Por otro lado, dado que la nitruración toma lugar en la región
ferrítica del diagrama de fase Fe-N, no ocurre un cambio en la estructura de la pieza tratada. (1) (8)
La nitruración es un proceso relativamente fácil de controlar en términos de los parámetros del proceso.
Además, la nitruración produce una elevada resistencia a la corrosión y al desgaste en aceros de bajo
carbono y baja aleación aunque la dureza obtenida no sea tan alta como en otros procesos. La dureza del
núcleo no es afectada debido a la conservación de la microestructura inicial, sin embargo para aceros de
bajo contenido de elementos aleantes la dureza de la superficie puede llegar a ser doble en comparación
con la del núcleo. Finalmente la nitruración no requiere un proceso de temple en su etapa final, como lo
requiere la carburización, esto resulta también en una disminución de la distorsión de las piezas. (1) (8)
2.2.1 EL PROCESO DE NITRURACIÓN
La nitruración se da gracias a un proceso de difusión del nitrógeno elemental en la matriz del acero.
Realmente lo que sucede es que el nitrógeno ocupa los espacios intersticiales de la red cristalina formada
por los átomos de hierro, el nitrógeno tiene un diámetro atómico de 0.142nm y es disuelto en el hierro en
las posiciones intersticiales octaédricas de la red cristalina que tienen un diámetro máximo de 0.038nm en
hierro BCC (hierro α) y un diámetro máximo de 0.104nm en hierro FCC (hierro γ). (1)
El fenómeno de difusión intersticial consiste en el movimiento de átomos dentro de una disolución. A nivel
atómico lo que sucede es que los átomos se mueven de un sitio a otro dentro de la red causando en algunos
casos la distorsión de la misma. Para que un átomo pueda desplazarse de un lugar a otro se deben dar dos
13
condiciones: La primera es que existan lugares vacios donde los átomos puedan emigrar (espacios
intersticiales) y la segunda es que el átomo debe tener suficiente energía para romper los enlaces y lograr
entrar en los espacios vacios. La energía de activación se conoce como la energía que necesita un átomo
para vencer la barrera de los enlaces y poder desplazarse de un lugar a otro. La temperatura es un
parámetro importante ya que ejerce una gran influencia en la velocidad de difusión de los átomos debido a
que aporta la energía necesaria para poder romper los enlaces. Cuando aumentamos la temperatura los
átomos absorben esta energía en forma de energía vibratoria, la cual permite que algunos átomos empiecen
a difundirse aumentando la velocidad de difusión conforme aumenta la temperatura. (8)
Para explicar el fenómeno se hace uso de la ley de Arrhenius (ecuación 1) y la segunda ley de Fick para
estados estacionarios entre un gas y un sólido (ecuación 2), las cuales se expresan como:
1.
Donde: “D” es el coeficiente de difusión ( ), “ ” es una constante que determina la frecuencia con la
que los átomos se difunden ( ), “Q” es la energía de activación (J/mol), “R” es la constante de los gases
ideales (J/mol*K) y “T” la temperatura (K).
2.
Donde “D” es la constantes de difusión ( ), “Co” es la concentración inicial de la especie, “Cx” es la
concentración final de la especie, “Cs” es la concentración superficial de la especie, “t” es el tiempo (s) y “x”
la profundidad a la que se encuentra la concentración de nitrógeno (µm), “ferr o erf” es la función de error
de Gauss.
Estas ecuaciones permiten hacer un modelo matemático y calcular el tiempo que se requiere para obtener
cierta concentración de nitrógeno a cierta profundidad para los métodos de nitruración gaseosa y líquida,
los cuales son procesos puramente difusivos. Con respecto a la nitruración por plasma no podemos analizar
el método con estas ecuaciones debido a que el plasma no es solo un proceso químico de difusión sino que
también físico en donde el bombardeo de iones aumenta la capacidad de penetración de nitrógeno en la
superficie. (9)
2.2.2 MICROESTRUCTURA
Después de realizado el tratamiento de nitruración sobre un acero podemos distinguir tres zonas principales
en la superficie del material. La primera zona corresponde a la capa blanca, la cual recibe este nombre
porque al ser atacada con nital aparece de color blanco. Esta capa puede estar formada por nitruros de
hierro en fase γ´ y ε dependiendo de la cantidad de nitrógeno disuelta en la estructura del hierro. La
14
segunda zona corresponde a la parte de difusión, en donde encontramos nitruros formados a partir de los
elementos aleantes que contiene el tipo de acero que es tratado. Finalmente se tiene la tercera zona que
corresponde al núcleo del material, el cual conserva la microestructura inicial del material antes de realizar
el tratamiento. En la Figura 3 se observa por un lado una micrografía de un acero nitrurado donde se
pueden identificar las tres zonas y a continuación un esquema donde observamos las posibles
combinaciones que se obtienen dependiendo del tipo de tratamiento.
Figura 3. Tres zonas: Capa blanca, Zona de difusión y núcleo del material. Micrografía de una acero sometido a un proceso de
nitruración (1).
A continuación se explica en qué consiste la capa blanca y cómo se forman las fases γ´ y ε. Para esto se hará
uso del diagrama de fases binario Hierro-Nitrógeno que se puede ver en la Figura 4.
Figura 4. Diagrama de fases Hierro-Nitrógeno. (1)
La Fase γ´ consiste de una solución solida intersticial de nitrógeno en hierro formando el compuesto
, el cual presenta una estructura cristalina FCC con un contenido de nitrógeno entre el 5.7% y
6.1% en peso (Ver Figura 4). La temperatura máxima a la que se forma esta fase es de 680˚C con
un porcentaje de nitrógeno de 5.7% en peso.
15
La Fase ε se forma a partir de una solución sólida intersticial de nitrógeno en hierro formando el
compuesto , el cual presenta la estructura HCP con un límite de solubilidad de desde 8 %
hasta 11% (ver Figura 4). La formación de esta fase depende de la cantidad de nitrógeno disponible
en el proceso, normalmente se encuentra en el rango de 60-80 % de nitrógeno del total de la
mezcla. Esta fase presenta una mayor homogeneidad en comparación con la fase γ´ y se caracteriza
por su alta dureza y baja porosidad, lo que permite obtener mejores propiedades mecánicas.
La capa blanca es la zona que mayor dureza presenta dentro de las tres zonas y es la que más contribuye a
mejorar las propiedades microestructurales y mecánicas del material. El tamaño de la capa depende del
tiempo de tratamiento y temperatura del proceso según los resultados consultados en la literatura (3) (4).
La zona de difusión también presenta características importantes. Esta zona la podemos identificar por
medio de un perfil de durezas cerca de la superficie del material. Lo que se observa es que la dureza es
máxima en la capa blanca y después empieza a disminuir en la zona de difusión hasta que llegamos al núcleo
del material donde la dureza es igual a la obtenida inicialmente antes de realizar el tratamiento. En la Figura
5 se observa esquemáticamente cómo se comporta el perfil de dureza sobre los aceros nitrurados. Algunos
aceros presentan la cualidad de permitir una zona de difusión más amplia que otros, esto se debe a los
elementos aleantes que contengan los aceros ya que algunos promueven la formación de nitruros estables
en esta zona permitiendo que la dureza se mantenga alta. Para el caso de los aceros aleados que contengan
aluminio, cromo, vanadio, tungsteno y molibdeno la zona de difusión es fácil de presenciar a través del
análisis metalográfico debido a la formación de nitruros con los elementos aleantes que constituyen al
acero.
Figura 5. Perfil de durezas, capa blanca y zona de difusión. a) esquema del perfil de durezas. b) perfil de durezas sobre un acero
inoxidable martensítico AISI 410 tratado por Tenifer (10).
16
2.2.3 ACEROS PARA NITRURACIÓN
Prácticamente cualquier acero puede ser sometido a un proceso de nitruración pero algunos presentan un
mejor comportamiento debido a sus elementos aleantes. Los aceros con aleaciones de aluminio, cromo,
vanadio, tungsteno y molibdeno facilitan el proceso ya que permiten la formación de nitruros (son
formadores de nitruros) dejando como resultado capas con altas durezas.
Por lo general el espesor de la zona de difusión disminuye con el aumento de elementos aleantes debido a
que estos forman nitruros y tienen un efecto retardador en la difusión del nitrógeno. La nitrurabilidad
también puede ser afectada por la micro-estructura y el tamaño de grano del acero. Una estructura ferritica
favorece la difusión del nitrógeno mientras que un tamaño grande de grano puede favorecer la formación
de compuestos como los nitruros.
A continuación en la Figura 6 se puede observar una gráfica en donde se muestra la influencia de los
elementos aleantes en la dureza después de haber sido sometido a un proceso de nitruración. Como
resultado de esta gráfica se puede decir que los elementos como el aluminio y el titanio aumentan la dureza
en el proceso de nitruración, esto se debe a la afinidad que tienen estos elementos con los compuestos
formados a partir de los nitruros. (1)
Figura 6. Comportamiento de la dureza en función de los elementos de aleación (1).
17
Por otro lado en la Figura 7 se observa cómo se comporta el espesor de la capa nitrurada en función del
contenido de elemento aleantes. Nuevamente el aluminio y el titanio afectan notablemente el proceso
permitiendo una mayor penetración en la superficie de la muestra.
Figura 7. Efecto de la profundidad de nitruración en función del porcentaje de aleantes que los constituyen (1).
En general los aceros a los que se recomienda realizar el tratamiento de nitruración son:
Aceros de bajas aleaciones que contienen aluminio
Aceros de medio carbono, que contengan cromo y las series 4100, 4300, 5100, 6100, 8600, 8700 y
9800.
Aceros para matrices de trabajo en caliente con contenido de 5% de cromo como los H11, H12 y
H13.
Aceros para herramienta rápidos y endurecidos al aire como el M-2, M-4 y A-2, A-6.
Aceros inoxidables.
2.3 LA NITRURACIÓN POR PLASMA
La nitruración por plasma es un proceso de endurecimiento superficial que involucra reacciones químicas y
físicas en la superficie de las piezas. El plasma se genera a partir de unas condiciones particulares de presión,
composición de la atmósfera, temperatura, voltaje y corriente. Esto permite la generación de unos procesos
de colisión entre los cuales tenemos los choques elásticos e inelásticos. A partir de los procesos de colisión
se dan inicio a una serie de fenómenos que son la ionización, excitación, relajación y recombinación. Estos
fenómenos permiten que se pueda realizar el proceso de nitruración por plasma. En este capítulo se explica
18
cómo funciona la nitruración por plasma, como afectan los parámetros de control en el proceso y las
ventajas y desventajas que presenta frente a otros métodos de nitruración. Una de las ventajas principales
de este proceso es que permite el control de todas las variables del proceso (presión, temperatura, tiempo,
voltaje, corriente y composición y flujo de la atmósfera), las cuales se pueden manipular para mejorar los
resultados obtenidos en cuanto a la calidad del proceso. (1)
2.3.1 EL PROCESO DE NITRURACIÓN POR PLASMA
Como se dijo en la parte de la introducción, el plasma se genera a partir de unas condiciones particulares de
los parámetros del proceso (presión, temperatura, composición de la atmósfera, voltaje y corriente) que
permiten que surjan los fenómenos de la ionización, excitación, relajación y recombinación. La descarga se
genera por medio de un par de electrodos, cátodo y ánodo, los cuales son sometidos a una diferencia de
potencial en un sistema que se encuentra dentro de unas condiciones particulares. El cátodo es conectado al
potencial negativo de la fuente mientras que el ánodo se conecta a tierra. La diferencia de potencial hace
que los electrones que se encuentran dentro de los electrodos empiecen a desplazarse en dirección al
ánodo chocando en su camino con las demás partículas que se encuentran dentro del sistema y de esta
manera se produce el fenómeno de ionización. La ionización es el principal fenómeno que se utiliza para
realizar un proceso de nitruración por plasma. Lo que sucede es que cuando un átomo neutro de nitrógeno
es ionizado, es acelerado fuertemente en dirección al cátodo debido a la diferencia de potencial. Cuando el
ion choca con una energía suficientemente alta produce el fenómeno conocido como sputtering, en el cual
el ion de nitrógeno desprende átomos e impurezas (óxidos y contaminantes) de la superficie del cátodo
permitiendo que: 1) Los átomos de hierro salgan de la superficie del material del cátodo y reaccionen por
afinidad química con átomos neutros de nitrógeno que se encuentren en la región y los compuestos
formados (nitruros de hierro) sean absorbidos por el material del cátodo. 2) Que las impurezas sean
desprendidas de la superficie del cátodo y evacuadas por el sistema de bombeo del reactor. De esta manera
se obtienen los nitruros de hierro en sus diferentes fases (dependiendo de la cantidad de nitrógeno
absorbida) en la superficie del cátodo y además debido al fuerte impacto de los iones de nitrógeno se logra
implantarlos en la superficie del material del cátodo permitiendo su difusión. Por esta razón es que las
piezas que se desean nitrurar deben ir sobre el cátodo y no sobre el ánodo donde los fenómenos son
diferentes. (1) (8) (11)
19
Figura 8. Interacción entre las partículas y el material ubicado en el cátodo. (1)
2.3.2 PARÁMETROS DEL PROCESO
En la sección anterior se dijo que para poder obtener un proceso de nitruración por plasma se necesitan
unas condiciones particulares de composición de la atmósfera, presión, voltaje, corriente y temperatura.
Esta sección se enfoca en el estudio basado en la literatura de estos parámetros con el propósito de
entender cómo afecta cada uno al proceso de nitruración.
COMPOSICIÓN DE LA ATMÓSFERA
La composición de la atmósfera para un proceso de nitruración por plasma generalmente consta de dos
componentes, hidrógeno y nitrógeno. Este proyecto hace uso también de argón debido a que el reactor
utilizado no tiene un sistema de calentamiento auxiliar sino que depende del calor generado por el
bombardeo de partículas, para lo cual se ha encontrado que resulta mejor usar una combinación de
hidrógeno-argón para calentar la pieza. En la Figura 9 se observa una curva que muestra cómo se comporta
la temperatura en función de la mezcla hidrógeno-argón. Por otro lado se puede ajustar la composición de
nitrógeno para promover la formación de nitruros fase ε y γ´ teniendo en cuenta lo consultado en la
literatura (1) (8). Para esto si se desea que la capa blanca este compuesta nitruros de hierro fase ε, el
porcentaje de nitrógeno que debe haber en el sistema tiene que estar entre el 60 y 80 %. Mientras que si se
quiere obtener nitruros de hierro fase γ´ la composición total debe tener un porcentaje de nitrógeno entre
el 15 y 30 %.
20
Figura 9. Temperatura del cátodo en función de la mezcla de Hidrógeno- Argón (P=1 torr, V=500 V). (12)
Algo muy importante que hay que tener en cuenta es asegurar que la cantidad de hidrógeno que se
encuentra dentro del ambiente del reactor sea la suficiente como para no permitir que el oxígeno que entra
a la cámara oxide a las piezas que se están tratando. Para confirmar esto se debe realizar una
caracterización del sistema de vacío donde se pueda establecer la cantidad de oxígeno que entra en el
sistema mientras se está realizando el tratamiento y de esta manera establecer la tasa de flujo de hidrógeno
necesaria para que las piezas no se oxiden.
PRESIÓN
La presión es el parámetro que indica la cantidad de especies que se tienen dentro del reactor y por lo tanto
es muy importante dentro del proceso. Un concepto muy importante que se debe tener en cuenta para
entender la influencia de la presión en el sistema es el camino libre medio “mean free path”, el cual indica la
distancia que recorren las partículas dentro del sistema antes de colisionar con otra partícula. Si se tiene una
presión alta (101,325 kPa) la distancia media de colisión es pequeña dado que se tienen muchas partículas
en el ambiente que chocan entre sí rápidamente. Por esta razón la probabilidad de generar el plasma es baja
debido a que las partículas no alcanzan a recorrer la distancia necesaria para acumular la energía suficiente
para producir los distintos fenómenos de colisión que generan el plasma. Por otro lado si la presión es muy
baja ( Pa ó torr) las partículas tiene que recorrer largas distancias para poder colisionar
causando que la probabilidad de colisión sea baja y por lo tanto la generación de plasma también. Una
presión ideal de trabajo es alrededor de 1 a 10 torr (100 a 1000 Pa aproximadamente) considerada la región
de vacío medio, en donde la probabilidad de que se generen los fenómenos de colisión es bastante alta (13).
En la Figura 10 se puede observar una representación simbólica de lo que sucede en los diferentes rangos
de presión. En la Tabla 1 se muestran algunas características específicas para los rangos de vacío. Como se
21
puede observar en la tabla, entre mayor sea el vacío mayor es la distancia libre que tienen las partículas para
recorrer y menor es la frecuencia de colisión.
Figura 10. Relación entre la distancia de colisión y la presión.
Tabla 1. Comportamiento del aire a 20˚C en diferentes regímenes de presión (13).
Presión (torr)
Presión (Pa)
Número densidad
( )
Camino libre medio (cm)
Frecuencia de colisión
superficial
( )
1 atmósfera 760 101 325
Medio vacío* 0.133 5
Alto vacío* 1.3*
Muy alto vacío*
1.3*
Ultra alto vacío*
*límite inferior del rango.
VOLTAJE Y CORRIENTE
El voltaje y la corriente son controlados por medio de una fuente de corriente directa pulsada diseñada para
trabajar en la zona de descarga luminiscente anormal, en donde la descarga generada se caracteriza por
envolver uniformemente el cátodo permitiendo un calentamiento de la pieza igualmente uniforme. En esta
región el voltaje y la corriente son directamente proporcionales, lo que implica que si aumentamos el voltaje
22
la corriente también aumenta de manera lineal. En la Figura 11 se puede ver las distintas regiones de
descarga en relación con el voltaje y la corriente. Como se mencionó en el principio del párrafo los procesos
de nitruración se realizan en la región luminiscente anormal.
Figura 11. Curva de Paschen para la caracterización de la descarga en función del voltaje y la corriente. (1)
TEMPERATURA
La temperatura en un proceso de nitruración por plasma es baja con respecto a los otros procesos de
nitruración. En este caso se manejan temperaturas que varían desde los 400 ˚C hasta los 550 ˚C (1) (8). La
temperatura dentro de este proceso depende del bombardeamiento de iones y átomos neutros sobre la
superficie del material, entre más iones y átomos neutros choquen con el material mayor temperatura se va
a generar. Se puede afirmar que para algunos materiales entre mayor temperatura se alcance mayores
durezas y espesores de capas se van a obtener. Para una temperatura por debajo de los 400˚C la difusión de
nitrógeno en el hierro es extremadamente lenta y las capas obtenidas son demasiado delgadas para
soportar los esfuerzos a los que son sometidas.
En el intervalo de temperaturas entre 400˚C y 500˚C se garantiza mantener inalterada las resistencia del
núcleo del material y las dimensiones de la pieza, también se mantiene la microestructura inicial debido a
que la temperatura no es tan alta como para que ocurra un cambio de fase (14).
El intervalo entre 500˚C y 580 ˚C es el más utilizado debido a que se logran obtener buenas durezas
superficiales y en consecuencia mayor resistencia al desgaste (14).
23
Un ciclo de nitruración por plasma comienza con un calentamiento de la pieza hasta llegar a la temperatura
requerida. Es importante tener en cuenta que la tasa de calentamiento de la pieza no sea mayor a 10˚C por
minuto debido a que puede ocasionar un choque térmico en la pieza afectando los resultados del
tratamiento debido a la formación de esfuerzos residuales en la superficie del material.
TIEMPO
El tiempo de tratamiento es el tiempo que se demora en llevar a cabo un ciclo de nitruración. Entre mayor
sea el tiempo de tratamiento, mayor cantidad de nitrógeno se va a difundir en el material y por lo tanto el
espesor de la capa va a ser mayor. La dureza también se incrementa con el tiempo aunque para
tratamientos muy largos la capa se vuelve muy frágil y por lo tanto se desprende fácil del material. Para
procesos de nitruración por plasma el tiempo varía entre media hora y 10 horas.
2.3.3 VENTAJAS Y DESVENTAJAS
Ventajas de la nitruración por plasma:
Eficiencia y reproducibilidad del proceso. Esto se logra debido a que es un proceso que permite el
control de todos los parámetros permitiendo que sean ajustados dependiendo del tipo de
resultados que se quieran obtener. Por ejemplo: si quieren obtener piezas que sean poco porosas
entonces se debe realizar tratamientos en tiempos cortos para que el bombardeo de iones no
afecte la superficie formada por el tratamiento.
Beneficios ambientales como la limpieza y la no producción de efluentes tóxicos. Los tipos de gases
utilizados (argón, nitrógeno e hidrógeno) no contaminan de ninguna forma el medio ambiente.
Distorsión mínima y estabilidad dimensional de la pieza tratada, mejor control del tipo de superficie
creada en la pieza. Esto se debe a que los tratamientos se realizan a bajas temperaturas y la
estructura del material no sufre ningún cambio.
Bajos costos de operación: El consumo de gases es bajo y debido a que la temperatura del
tratamiento es más baja que para otros procesos se requiere de un menor consumo por parte de la
fuente.
Desventajas del proceso:
Costo elevado de los equipos debido a la complejidad y por lo tanto requiere de una alta inversión
inicial.
Es un proceso “complejo” que requiere de personal capacitado para poder entender cómo
funciona.
24
2.4 NITROCARBURIZACIÓN
La nitrocarburización es un tratamiento de endurecimiento superficial termoquímico muy parecido a la
nitruración. La principal diferencia entre estos dos tratamientos es que la nitrocarburización no solo consiste
en la difusión de nitrógeno en la superficie si no que también de carbono. El rango de temperaturas en las
cuales se realiza este tratamiento es muy similar al de la nitruración entre unos 450 y 580 ˚C (1) (8),
permitiendo la estabilidad dimensional de la pieza tratada. Por medio de la nitrocarburización se pueden
obtener piezas con durezas superficiales un poco más altas que para el proceso de nitruración, debido a la
formación de carbo nitruros de hierro sobre la superficie del material.
2.4.1 EL PROCESO DE NITROCARBURIZACIÓN
La nitrocarburación es un proceso termoquímico derivado de la nitruración y diferente a la carbonitruración.
El proceso consiste en introducir nitrógeno y carbono simultáneamente en el acero por medio de la difusión
intersticial, mientras este conserva su estructura ferritica lo cual indica que el tratamiento se realiza a
temperaturas menores que la de austenización. Este proceso es ampliamente utilizado en la industria para
el tratamiento de aceros inoxidables, aceros aleados, aceros para maquinado, aceros micro-aleados, etc. La
mayoría de piezas se someten a este tratamiento para mejorar la resistencia al desgaste y también para
mejorar propiedades de fatiga. Este tratamiento se puede realizar por medio de un baño de sales, a través
de una atmosfera gaseosa o utilizando la tecnología de plasma (8).
2.4.3 MICROESTRUCTURA
Después de realizado un proceso de nitrocarburación se puede observar un cambio en la estructura
superficial del material debido al tratamiento. Generalmente se identifican tres zonas distintas en el
material tratado: Zona de la capa blanca, Zona de difusión y Zona del núcleo del material tratado. En la
Figura 12 se observa un esquema de las tres zonas. La capa blanca normalmente está compuesta por carbo-
nitruros de hierro ( ) de fase ε, la cual es formada entre temperaturas de 450 ˚C y 590˚C. EL tamaño
de la capa blanca depende del tiempo del proceso, normalmente encontramos capas entre 10-40 µm.
Seguido de la capa blanca se encuentra la zona de difusión, la cual está compuesta por nitruros de hierro y
nitrógeno que ha sido absorbido por el material. Para los materiales que contienen un porcentaje
considerable de elementos aleantes (por ejemplo alto contenido de Cr) es muy común observar la
formación de nitruros estables con los aleantes en esta zona. El tamaño de esta zona por lo general se
encuentra entre 150-500 µm. Por último se tiene la zona del núcleo del material, la cual está compuesta por
el material base y se caracteriza por conservar las propiedades iniciales del material antes de ser sometido al
tratamiento. Siguiente al esquema se muestra una micrografía en la cual se puede observar la capa blanca y
25
la zona de difusión, la cual se encontró que mide aproximadamente 150 µm. Esta imagen corresponde a un
acero 4340 tratado por tenifer durante 2 horas a una temperatura de 550˚C.
Figura 12. Estructura de los aceros nitrocarburados, tres zonas: capa blanca, zona difusión y núcleo de material. Acero 4340 tratado
por Tenifer, capa blanca y zona de difusión. (8)
2.4 NITROCARBURIZACIÓN LÍQUIDA (TENIFER)
La nitrocarburización líquida o por baño de sales es conocida en la industria como el Tenifer. Este nombre
viene de la combinación de palabras Tenax (Tenaz), Nitrogenum (Nitrógeno) y ferrum (hierro). El proceso
está basado en el fenómeno de la difusión de nitrógeno y carbono a través de un baño de sales calientes
que se encargan de proporcionar estos elementos a la pieza tratada. Las temperaturas son muy similares a
las utilizadas en un proceso de nitruración, entre 450 y 580 ˚C. La principal razón por la cual este método es
ampliamente utilizado en la industria tiene que ver con la simplicidad del proceso y el bajo costo de los
equipos.
2.4.1 EL PROCESO TENIFER
La nitrocarburización líquida es un proceso en el cual se someten las piezas a un baño de sales a una
temperatura (450-580˚C) por debajo de la temperatura de austenización. Las sales tienen como
componente principal los cianatos, los cuales son producidos mediante la reducción de cianuros por medio
de la oxidación. Existen dos tipos de sales, una con alto contenido de cianuros y otra con bajo contenido. El
problema que existe con las sales de alto contenido de cianuro es que son tóxicas y por lo tanto contaminan
el medio ambiente. Por otro lado las de bajo contenido de cianuro son más amigables con el medio
ambiente. Una reacción catalítica es la encargada de romper los cianatos en presencia de los componentes
del acero que está siendo tratado, suministrando carbón y nitrógeno a la superficie de la pieza. Al
desprenderse el nitrógeno y el carbono de los cianatos se forman los carbonatos, los cuales son abastecidos
de nitrógeno para la formación de nuevos cianatos. (1) (8)
26
Las piezas se deben precalentar antes de introducirlas en los baños. El porcentaje de cianato se debe
mantener por encima del 25% mientras que el de carbonato no se debe sobre pasar del 25%, si se sobre
pasa hay que enfriar la pieza hasta 455˚C para que se sedimente y se pueda sacar. Generalmente las sales
tienen una vida útil entre 3 y 4 meses dependiendo de la calidad. Al retirarse las sales se debe hacer uso de
unas neutralizaciones de los químicos que las componen por medio de un tratamiento con cloro. (8)
2.4.2 PARÁMETROS DEL PROCESO
A diferencia del proceso de nitruración por plasma, el Tenifer no tiene tantos parámetros de control.
Básicamente el proceso se puede controlar por medio de una composición de tipo sal (alto contenido de
cianuros o bajo contenido), una temperatura de sostenimiento (entre 450 y 580˚C) y el tiempo del ciclo de
tratamiento (Por lo general es de dos horas). Las propiedades microestructurales y mecánicas varían
principalmente en función del tiempo que duren los ciclos y la temperatura de sostenimiento.
2.4.3 VENTAJAS Y DESVENTAJAS
Ventajas que ofrece el tratamiento (8) (1):
Alta calidad de las piezas tratadas: se obtiene una buena resistencia a la corrosión, los procesos son
repetibles, el resultado del tratamiento es uniforme alrededor de las piezas, buena resistencia al
desgaste.
Facilidad del proceso: No necesita de equipos de alta tecnología para poder realizar el proceso lo
que lo hace la inversión inicial sea menos costosa que para otros procesos de nitruración. Tiene
pocos parámetros de control (tiempo, temperatura y tipo de sal) y por lo tanto hace que sea fácil
de monitorear.
Debido a que se trabaja a temperaturas por debajo de la de austenización, la estabilidad
dimensional de la pieza es buena.
Alta flexibilidad en los procesos: En un ciclo se pueden incluir piezas que requieran diferentes
tiempos de tratamiento o que sean de diferente material. El rango de temperatura del proceso se
puede escoger entre 480-630˚C y se pueden utilizar diferentes medios de enfriamiento.
Desventajas con este tratamiento:
Produce residuos tóxicos que contaminan el medio ambiente y que requieren de un costoso
proceso de tratamiento para que no generen contaminación.
Bajo control de las variables del proceso debido a que solo se manipula la temperatura, el tiempo y
la composición del baño de sal.
27
Produce piezas con mayor porosidad en comparación con otros procesos.
3. METODOLOGÍA Y PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
En la Figura 13 se muestra un esquema del procedimiento experimental que se llevo a cabo en el trabajo. El
primer paso del procedimiento experimental fue caracterizar el reactor de plasma que se utilizó para realizar
los tratamientos de nitruración. El propósito de esta fase es demostrar que el proceso se puede controlar
por medio de los parámetros para realizar experimentos que sean confiables y repetibles. Una vez se ha
demostrado esta parte, se puede empezar la fase de exploración del tratamiento de nitruración por plasma.
Para esto se seleccionó el acero AISI 4340 y sobre él se realizó una serie de experimentos que permitieron
observar cómo se comportan las propiedades microestructurales y mecánicas del acero en función de la
temperatura y el tiempo de tratamiento dejando los otros parámetros constantes. Finalmente se escogió el
tratamiento para el cual se obtuvieron las mejores propiedades y se realizó sobre el acero AISI 4140.
Después pasamos a la parte de comparación con el tratamiento de Tenifer, en donde se caracterizaron
muestras de los aceros AISI 4140 y 4340 tratados por Tenifer por la industria y se compararon con el proceso
de nitruración por plasma.
Figura 13. Esquema general de la Metodología y Procedimiento experimental.
3.1 CARACTERIZACIÓN DEL REACTOR DE PLASMA
El objetivo de la caracterización del reactor es poder asegurar que el instrumento que se va a utilizar para
efectuar los tratamientos de nitruración permite controlar los parámetros del proceso, para realizar
experimentos que se puedan repetir y que aseguren unos resultados que sean confiables. En la primera
ObjetivoCaracterizacióndel reactor de
plasma
Fase de exploración
sobre el acero 4340
Comparación con el proceso
Tenifer.
Análisis de Resultados y conclusiones
28
parte de la sección se describe el reactor de plasma con sus componentes principales. La segunda parte
consiste en poner a punto el reactor por medio de una serie de cambios y verificando a través de unos
protocolos que los parámetros (Por ejemplo: voltaje y temperatura) se pueden controlar para realizar
experimentos que sean confiables y repetibles.
3.1.1 CARACTERÍSTICAS DEL REACTOR DE PLASMA UTILIZADO
EQUIPO PARA NITRURACIÓN POR PLASMA
El equipo utilizado para nitruración por plasma consta de varios elementos que se describirán en las
siguientes secciones de este capítulo. Para este proyecto de grado se utilizó un reactor de plasma que fue
construido por medio de otros trabajos (5; 15; 6; 16) y se adecuó para poder realizar el proceso de
nitruración. El equipo está compuesto por un sistema de alimentación eléctrica, un sistema de vacío, un
sistema de gases y un sistema térmico. En la Figura 14 se puede observar un esquema general de todo el
sistema.
Figura 14. Esquema del reactor de plasma utilizado para realizar los procesos de nitruración (6).
29
SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ELÉCTRICA
FUENTE DE VOLTAJE DE CORRIENTE DIRECTA PULSADA
La fuente de voltaje es la encargada de producir la diferencia de potencial entre los electrodos. Para este
proyecto contamos con una fuente de corriente directa pulsada que permite variar el voltaje desde 300
hasta 700 V y controlar el tiempo de encendido o apagado de la fuente (10-990 µs). Esta fuente fue diseñada
para trabajar en la zona de descarga luminiscente anormal y por lo tanto es ideal para realizar procesos
como la nitruración por plasma. La fabricación de este instrumento fue realizada por la compañía Brasilera
SDS Ldta. En la Error! Reference source not found. se pueden ver las especificaciones generales de la
fuente y en la Figura 15 una foto que muestra los componentes internos.
Tabla 2. Especificaciones generales de la fuente de voltaje.
Marca SDS Ltda. Brasil
Características Fuente Pulsada de corriente directa
Rengo de voltaje de salida 300-700 V
Rango de T on pulsos 10-990 µs
Rango de Toff pulsos 990-10 µs
Alimentación 440V,60 Hz
Figura 15. Fotografía de la fuente de voltaje mostrando sus componentes internos.
ELECTRODOS
Los electrodos son los encargados de generar la descarga debido a la diferencia de potencial a la que se
encuentran. Existen diferentes configuraciones las cuales se observan en la Figura 16 y lo importante es
seleccionar la configuración que mejor se adapte al proceso que se va a realizar. Para un proceso de
nitruración por plasma se necesita que la pieza que se desea tratar esté en contacto con el cátodo, debido a
que el bombardeo de iones se realiza sobre este electrodo.
30
Figura 16. Configuraciones posibles para los electrodos.
El primer paso fue escoger una configuración que mejor se adapte a los propósitos del proyecto. Para esto
se tuvo en cuenta la posibilidad de medir la temperatura de una manera fija con el fin de poder medir la
temperatura siempre en el mismo punto en todos los ensayos. Otro punto importante fue tener en cuenta
la distancia entre los electrodos ya que de esto depende la generación o no de la descarga. La configuración
escogida fue la que se puede observar en la Figura 17, donde el ánodo corresponde al cilindro y el cátodo
corresponde al soporte vertical, en el cual se pretende introducir el termopar para medir la temperatura del
proceso. La pieza que se desea nitrurar va puesta sobre el cátodo ya que es en este donde se genera el
bombardeo de iones de nitrógeno y por lo tanto permite formar los nitruros en la capa superficial de la pieza
de trabajo.
Figura 17. Configuración de electrodos utilizada.
31
FUENTE AUXILIAR
La Fuente auxiliar es la encargada de proporcionar energía a los flujómetros para permitir el control de la
cantidad de gas que entra a la cámara. Para esto se dispone de unas perillas que permiten variar el voltaje
de entrada (0-5 V) a los controladores de manera que se pueda regular la cantidad de flujo que entra a la
cámara. Por otro lado también proporciona energía al manómetro encargado de medir la presión dentro del
reactor. La Fuente corresponde a una Dual que proporciona ±15V y un generador de señal DC de 0-5 V. A
continuación vemos una foto de la fuente, la cual fue diseñada y construida por Jaime Ramírez (15).
Figura 18. Fuente auxiliar de voltaje, diseñada y construida por Campo Fritz y Jaime Ramirez.
SISTEMA DE VACÍO
Este sistema está compuesto por una cámara de vidrio, una bomba de vacío y un manómetro. A
continuación se muestran las especificaciones generales de cada elemento.
CÁMARA DE VACÍO
La cámara del reactor está compuesta por un cilindro de Borosicalato de diámetro 30 cm y altura 45 cm, una
base y una tapa de acero inoxidable AISI 304 y un conjunto de o-rings que permiten el sellado entre los
elementos. La cámara fue dimensionada para trabajar en presiones por arriba de 0.001mbar y temperaturas
menores a los 800 ˚C. Dentro de la cámara podemos encontrar otros componentes como los electrodos, la
lluvia de gases, los termopares, escudos térmicos, acoples de entrada y o-rings. Los escudos térmicos son los
encargados de mantener la temperatura dentro de la cámara, la lluvia de gases se encarga de distribuir los
gases dentro de la cámara y los acoples de entrada y o-rings son responsables del sellado de la cámara. A
continuación en la Figura 19 se muestra un esquema de la cámara indicando los componentes que se
encuentran dentro de ella.
32
Figura 19. Esquema de la cámara del reactor (6).
BOMBA DE VACÍO
La bomba es la encargada de generar el vacío dentro de la cámara permitiéndonos regular la cantidad de
especies dentro del reactor a través de una válvula de control, en la Error! Reference source not found. se
presentan las características generales.
Tabla 3. Especificaciones generales de la bomba de vacío.
Marca BOC EDWARDS (Wilmington, MA, U.S.A)
Referencia E2M18
Características Bomba de vacío de paletas rotativas
Etapas Dos
Sello De Aceite
Desplazamiento 25
Velocidad de Bombeo 20.3
Presión Final 0.001mbar
Puerto de Admisión NW 25
Peso 36 kg
Capacidad de aceite 0.75-1.05 Lt
Potencia 220/440V,60 Hz, 0.75 kW
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Figura 20. Fotografía de la bomba de vacío.
MANÓMETRO
El manómetro capacitivo es un instrumento encargado de medir la presión al interior de la cámara. Para
poder reportar la presión necesitamos adicionar un multímetro el cual reporta la presión en mbar dada la
equivalencia de 1 V=1mbar. En la Figura 21 y Figura 14 se puede observar una foto del manómetro y su
ubicación en el reactor.
Figura 21. Fotografía del manómetro capacitivo.
SISTEMA DE GASES
El sistema de gases está compuesto por unos controladores de flujo de gas, una fuente auxiliar que permite
manipular los controladores (descrita en la sección de sistema de alimentación eléctrico) y un sistema de
distribución de gases en el interior de la cámara.
FLUJÓMETROS
Los flujómetros son los controladores de flujo que permiten el ingreso y control de los gases a la cámara.
Para este proyecto se utilizaron tres controladores de Marca AALBORG de diferentes capacidades de flujo
10 sccm, 200 sccm y 500 sccm. Las especificaciones generales de los equipos se pueden ver en la Error!
Reference source not found..
34
Tabla 4. Especificaciones generales de los controladores de flujo, * ruido máximo 20 mV pico a pico.
Marca AALBORG Instruments and Controls Inc.
Controlador 10 200 500
Referencia 3NC-01-SS 3NC-05-SS 3NC-06-SS
Tasa de Flujo 0-10 ml/min 0-200 ml/min 0-500ml/min
Presión medidora 14.7 psi (1.01 bar) 14.7 psi (1.01 bar) 14.7 psi (1.01 bar)
Temperatura Std. 21.1˚C 21.1˚C 21.1˚C
Precisión ± 1% del rango ± 1% del rango ± 1% del rango
Señal de salida Lineal 0-5VDC* Lineal 0-5VDC* Lineal 0-5VDC*
Potencia de alimentación +15±5% VDC +15±5% VDC +15±5% VDC
Figura 22. Fotografía de los controladores de flujo AALBORG.
SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN DE GASES DENTRO DE LA CÁMARA
El sistema está compuesto por uno acople en la entrada de la cámara que permite el sello entre ambiente
exterior y el interior de la cámara. Por este acople entra un elemento en cargado de distribuir los gases
dentro del reactor, el cual se conoce como lluvia de gases.
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Figura 23. Sistema de distribución de gases dentro de la cámara (17).
OTROS COMPONENTES
TERMOPARES
El termopar utilizado es tipo K de marca OMEGA modelo TJ36-CAIN-116-18 cubierto de acero inoxidable
304. La verificación de la calibración del termopar se realizó a varias temperaturas por medio de un horno
que permitiera conocer la temperatura dentro del sistema.
MULTIMETRO/TERMÓMETRO DIGITAL
Los multímetros son los encargados de reportar la temperatura medida por los termopares dentro del
sistema. Para nuestro caso solo utilizamos un termopar, el cual reporta la temperatura del cátodo muy cerca
de la pieza que está siendo tratada (ver configuración de los electrodos Figura 17). El termómetro digital
utilizado es de marca FLUKE® serie 51-54, con dos entradas de medición y tiene la capacidad de almacenar
los datos en una memoria interna. En la Figura 14 se observa una foto de este instrumento y su ubicación
en el sistema.
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3.1.2 PUESTA A PUNTO DEL REACTOR
Esta sección está dedicada a mostrar los cambios que se realizaron sobre el reactor de plasma con el
propósito de ponerlo a punto para realizar tratamientos de nitruración.
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA BASE PARA EL REACTOR
Se consideró necesario diseñar y construir una nueva base para el reactor pequeño de plasma debido a que
la que se está utilizando actualmente no está debidamente diseñada para realizar los procesos requeridos
en este proyecto. El principal problema que tiene es que en el momento de alcanzar la presión de trabajo la
base se flexiona causando que los electrodos se desplacen y en algunos casos lleguen a tocarse y por lo
tanto se dañe el experimento. Por otro lado se pretende mejorar el sistema de sellado de la cámara con este
nuevo diseño.
Para realizar el diseño estructural de la base del reactor, se realizó una simulación en el software ANSYS®
sobre el diseño propuesto (Ver Anexo 6.1), en la cual se tomaron en cuenta las restricciones necesarias para
determinar el posible comportamiento de la pieza que queremos diseñar. Para esto se tuvieron en cuenta
las presiones a las que está sometida la pieza. En la Figura 24 podemos ver un esquema de las presiones
que actúan sobre la base del reactor.
Figura 24. Diagrama de cuerpo libre de la base del reactor sometido a las presiones de trabajo.
La presión interna corresponde a la presión que siente dentro del tanque. Esta presión es causada por la
bomba de vacío y por esta razón depende de la capacidad de la bomba y de los escapes que existan en los
ajustes de la cámara. Teóricamente la bomba es capaz de llegar a un vacio de 0.05 mbar (5 Pa) y por esta
razón se seleccionó esta como la presión interna de trabajo. Con el objetivo de ser aun más cuidadosos se
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escogió un factor de seguridad de 2 para la presión interna y por lo tanto la presión interna de trabajo total
para nuestra simulación corresponde a 0.025 mbar (2.5 Pa). La cámara también está sujeta a una presión
externa la cual corresponde a la presión atmosférica. En Bogotá la presión atmosférica es de 74660.5 Pa
según el planetario de Bogotá, consultado el 15 de junio 2010.
Otra variable que se tuvo en cuenta fue el material de la base del reactor, para el cual se escogió acero
inoxidable 304 debido a que anteriormente la base se había fabricado con este material.
El procedimiento que se implementó para el diseño de la base fue proponer unas dimensiones de la base
más robustas que las que se encontraban anteriormente y comprobar que la deformación de esta fuera muy
pequeña en los puntos críticos (orificios por donde entran los electrodos). Además se tuvo en cuenta el
sistema de sellado de la cámara con el objetivo de mejorarlo. Para esto se diseñó una base que permitiera
colocar el o-ring que sella la cámara de una manera más cómoda para el operario y que permita sellar la
cámara con mayor precisión.
Teniendo en cuenta las restricciones enunciadas anteriormente, se procedió a realizar la simulación en
ANSYS de la base del reactor diseñada. Para realizar el análisis de decisión se tomó como referencia el
esfuerzo equivalente de Von Mises y la deformación unitaria. A través de la simulación se puede observar las
zonas críticas donde el esfuerzo equivalente es máximo y con esta información comprobar que no está
sobre pasando al esfuerzo de cedencia del acero inoxidable, que es 215 MPa. Por el lado de la deformación
unitaria, se busca que sea muy pequeña, del orden de
, para que no afecte la disposición de los
elementos dentro de la cámara.
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE LOS ELECTRODOS
El primer paso fue escoger una configuración que mejor se adaptara a los objetivos del proyecto. Para esto
se tuvo en cuenta la posibilidad de medir la temperatura de una manera fija con el fin de poder medirla
siempre en el mismo punto en todos los ensayos. Otro punto importante fue tener en cuenta la distancia
entre los electrodos ya que de esto depende la generación o no de la descarga. La configuración escogida
fue la que se puede observar en la Figura 25, donde el ánodo corresponde al cilindro y el cátodo
corresponde al soporte vertical, en el cual se pretende implantar el termopar para medir la temperatura del
proceso. La pieza que se desea nitrurar va puesta sobre el cátodo ya que es en este donde se genera el
mayor bombardeo de iones de nitrógeno y por lo tanto permite formar los nitruros en la capa superficial de
la pieza de trabajo. En la Figura 25 se puede ver por un lado la configuración de los electrodos señalando el
ánodo y el cátodo respectivamente y por otro lado vemos la estructura diseñada para el cátodo, la cual
incluye un termopar en el interior.
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Figura 25. Configuración de los electrodos y estructura del cátodo.
A continuación se nombran los componentes del cátodo y su función en el diseño.
Pieza de trabajo: consiste en una pieza de un acero sobre el cual se va a realizar el tratamiento
térmico.
Termopar: es un instrumento que mide la temperatura, la cual es reportada a través de un
termómetro.
Camisa de acero inoxidable: este elemento se encarga de proteger al recubrimiento de alúmina
para que no se deposite material generado por el fenómeno de sputtering y por lo tanto permita
conservar las propiedades no conductoras del cerámico.
Tubo de alúmina: se encarga de aislar eléctricamente el cátodo (altamente cargado) del resto del
sistema.
Protección de vidrio: consiste en un tubo de vidrio que permite proteger el recubrimiento de
alúmina.
La ley de Paschen permite relacionar el voltaje de descarga (break down voltage) con la presión a la que se
encuentra el sistema y la distancia entre los electrodos. Esta ley es especialmente útil si se quiere diseñar
electrodos ya que da una idea acerca de las dimensiones que deben tener los elementos. Las curvas de
Paschen relacionan las propiedades antes mencionadas en función del tipo del gas que se encuentra en el
sistema. En la Figura 26 se pueden ver unos ejemplos de las curvas de Paschen para diferentes gases.
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Figura 26. Curvas de Paschen para diferentes gases (18).
Estas curvas son muy útiles en dos sentidos: primero, cuando se quiere diseñar electrodos, como en la
configuración escogida, se necesita asegurar que entre los electrodos se va a generar la descarga necesaria
para realizar el tratamiento solicitado. Segundo, los electrodos deben contar con un sistema de aislamiento
eléctrico que asegure que la descarga solo se dé en la región de la pieza de trabajo y que proteja los demás
componentes del reactor para que no se vean afectados por la descarga.
La curva funciona de la siguiente manera: arriba de la curva se asegura que la descarga se genere entre los
electrodos dada una distancia entre ellos, una presión de trabajo y un voltaje. Por debajo de la curva lo que
sucede es que no se genera descarga y por lo tanto no se puede generar el plasma entre los electrodos.
El procedimiento de diseño de los electrodos es el siguiente:
1. El primer paso es fijar un voltaje en la fuente (300- 700 V), una presión de trabajo y seleccionar el o los
gases que se van a introducir dentro de la cámara.
2. Una vez se tiene la presión y voltaje fijos se puede interactuar con las dimensiones de los electrodos para
observar la ubicación dentro de la curva. Es importante tener en cuenta que para el caso en que se tiene
más de un gas dentro de la cámara, el procedimiento es escoger el peor caso entre los gases y de esta
manera asegurar que para todos los gases se va a cumplir el mismo efecto.
3. En el caso del sistema de aislamiento del electrodo, lo que se quiere es que no se genere descarga entre
los elementos. El motivo por el cual no se puede permitir esto se debe a que si el cátodo no se encuentra
aislado de la cámara, entonces la cámara se encontrará al mismo potencial que el cátodo, lo cual puede
causar un accidente si alguna persona llega a estar en contacto con la cámara. Por otro lado el fenómeno de
sputtering también puede llegar a afectar el proceso, el bombardeo de electrones e iones sobre el cátodo
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genera un desprendimiento de material que termina depositándose en otro lugar. En el caso del termopar,
se debe asegurar que sobre este no se genere descarga para proteger al instrumento.
4. El último paso es fabricar el diseño y comprobar el funcionamiento del mismo. En el anexo 6.2 se
encuentran los planos de los electrodos.
CARACTERIZACIÓN DEL SISTEMA DE VACÍO
El primer paso realizado para caracterizar el sistema de vacío fue observar el comportamiento del sistema
antes de realizar los cambios propuestos para después comparar con los resultados obtenidos con los
cambios propuestos. El protocolo de caracterización consiste en ver cómo se comporta la presión dentro de
la cámara en función del tiempo. Para esto hacemos dos ensayos:
En el primer ensayo se prende la bomba con la válvula abierta totalmente permitiendo que el
caudal de evacuación sea el máximo y se espera hasta que la presión se estabilice. El propósito es
observar la presión mínima que logramos obtener en un determinado tiempo.
El segundo ensayo consiste en ver cómo se comporta la presión cuando la bomba se apaga y se
cierra totalmente la válvula de la bomba y se asegura que la válvula de entrada de gases también
este cerrada. El propósito de este ensayo es cuantificar la entrada de oxígeno a la cámara por
medio de las fugas existentes.
Para calcular la tasa de oxígeno que entra a la cámara se puede hacer uso de las ecuaciones (a) (b) (c),
asumiendo que los gases se comportan como gases ideales y que en Bogotá el aire contiene un 21% de
oxígeno en su composición. Estas ecuaciones hacen parte del capítulo 1 de la referencia (11).
Donde: es la velocidad promedio que tiene la molécula, k es la constante de Boltzmann, T es la
temperatura interior del sistema, m es la masa molecular, P es la presión a la que se encuentra el gas, n es el
numero de moles del gas, Vt es el volumen total de la cámara y V es el volumen que ocupa el gas a
determinada presión.
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CARACTERIZACIÓN DE LA DESCARGA
Es necesario realizar la caracterización de la descarga una vez se han instalado los nuevos elementos para
observar el comportamiento del sistema y asegurarnos de que los tratamientos puedan ser realizado bajo
unas condiciones de control óptimas.
La caracterización consiste en someter el sistema a diferentes condiciones de operación y ver cómo se
comporta la temperatura en relación al tiempo de encendido de la fuente de voltaje. Para esto se
escogieron tres presiones diferentes y para cada presión se realizaron pruebas a dos voltajes diferentes. La
composición y flujo de gases se dejó constante durante las pruebas (65% ) teniendo en
cuenta lo estudiado en la sección 2.3.3. Las presiones que se escogieron fueron 3,5 y 8 mbar y voltajes de
400 y 600 V. Como se explicó en la sección 2.3.3 los procesos de nitruración generalmente se realizan a
presiones entre 1 y 10 mbar (100-1000 Pa). Por esta razón se seleccionaron estas tres presiones para barrer
todo el rango y ver cómo se comporta.
3.2 FASE DE EXPLORACIÓN EXPERIMENTAL SOBRE EL PROCESO DE NITRURACIÓN POR
PLASMA
El propósito de esta sección es describir cómo se realizó la fase de exploración del proceso de nitruración
por plasma. El primer paso fue adquirir los aceros AISI 4140 y 4340 y caracterizarlos para confirmar su
composición, microestructura y dureza. El paso siguiente consistió en seleccionar el acero 4340 y sobre él
realizar una serie de tratamientos que permitieran observar el comportamiento de las propiedades
microestructurales y mecánicas del material. El paso final es seleccionar el tratamiento que mejor
propiedades presente y realizarlo sobre el acero 4140.
3.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS ACEROS ADQUIRIDOS PARA NITRURACIÓN
En la industria por lo general se encuentran a estos tipos de aceros sometidos a un tratamiento térmico de
bonificado, el cual consiste en realizar un proceso de templado (desde 800˚C y enfriado en aceite) seguido
de un revenido (650˚C). A continuación se muestran las características generales para ambos aceros
tomadas de la fuente www.matweb.com y seguido los métodos que se utilizaron para caracterizar las
muestras adquiridas.
MICROESTRUCTURA
Los aceros que son sometidos a un proceso de templado seguido de un revenido tienen una estructura
llamada martensita revenida, la cual no es precisamente martensita sino una estructura con finas partículas
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de cementita (carburos de hierro) en una matriz de ferrita que se han formado a partir de la martensita
durante el revenido (19). En la Figura 27 observamos una micrografía de la estructura, las finas partículas de
cementita sobre saltan de color blanco mientras el fondo oscuro corresponde a la matriz de ferrita.
Figura 27. Micrografías de aceros sometidos a un proceso de bonificado donde podemos apreciar la estructura llamada martensita
revenida (bainita), la primera foto fue tomada en el microscopio óptico (OM) y las demás en el electrónico (SEM). (19)
COMPOSICIÓN QUÍMICA ELEMENTAL
Acero AISI
% C % Cr % Fe % Mn % Mo %Ni % P % Si % S
4140 0.38-0.43
0.8-1.1 96.785-97.77
0.75-1 0.15-0.25
<=0.035 0.15-0.3 <=0.04
Tabla 5. Composición química elemental del acero AISI 4140 bonificado.
Acero AISI
% C % Cr % Fe % Mn % Mo %Ni % P % Si % S
4340 0.37-0.43
0.7-0.9 95.2-96.33
0.6-0.8 0.2-0.3 1.65-2 <=0.035 0.15-0.3 <=0.04
Tabla 6. Composición química elemental del acero AISI 4340 bonificado.
DUREZAS
Acero AISI-SAE Dureza (HRC)
4140 27
4340 30
Tabla 7.Durezas de los aceros AISI 4140 y 4340 bonificados.
Para realizar la caracterización de los aceros adquiridos en la industria se realizaron las tres pruebas.
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1. COMPOSICIÓN DE LOS ACEROS ADQUIRIDOS
Para verificar la composición química elemental se realizó un análisis de los elementos por medio de la
espectroscopia óptica por chispa. La norma consultada fue la ASTM A751-08. El instrumento utilizado fue
ARL QUANTODESK, el cual tiene una resolución de 170-410 nm. Los elementos químicos que se pueden
analizar son Fe, Al, Cu, Ni, Pb, Zn, Co, Ti y Mg. La preparación de la muestra consiste de una superficie plana
por ambos lados y suficientemente grande para realizar varias mediciones, los ensayos son destructivos.
2. ANÁLISIS DE LA MICROESTRUCTURA
Para analizar la microestructura se prepararon muestras teniendo en cuenta la norma ASTM E3, el ataque se
hizo con nital al 5% durante 4 segundos. Se llevaron las muestras al microscopio óptico para observar la
microestructura y comprobar que se tratara de una martensita revenida.
3. DUREZA
Para realizar las pruebas de durezas tuvo en cuenta la norma ASTM E18, la preparación de las muestras
consistió en cortar piezas de 1’’ de diámetro por 0.5’’ de altura asegurándonos que la superficie estuviera lo
más plana posible. Se tomaron durezas en la escala Rockwell C con una carga de 150 Kgf alrededor de las
muestras cilíndricas de ambos aceros, empezando en el centro de la muestra y moviéndose en el sentido
radial hasta llegar al borde. En total se tomaron 10 mediciones para cada muestra.
3.2.2 FASE DE EXPLORACIÓN
Como ambos aceros el 4140 y 4340 tienen composiciones, microestructuras y durezas similares, se espera
que se comporten de una manera muy similar al realizar el tratamiento de nitruración. Para la fase
exploración del proceso de nitruración por plasma se seleccionó hacer una serie de tratamientos sobre el
acero 4340 para observar cómo se comportan las propiedades microestructurales y mecánicas del material.
Con base en los resultados obtenidos, se selecciona el tratamiento que mejor propiedades
microestructurales y mecánicas presentó y se realiza sobre el acero 4140. Las piezas que se trataron tenían 1
cm de diámetro y 0.6 cm de alto y fueron pulidas por medio de las ligas hasta llegar una liga 1200.
SELECCIÓN DE LOS TRATAMIENTOS PARA LA FASE DE EXPLORACIÓN
En la sección 2.3.3 se explicaron los parámetros del proceso y la forma como estos pueden afectar al
tratamiento. Para realizar la parte de exploración se decidió hacer un análisis experimental de dos
parámetros dejando el resto de los parámetros constantes. La selección de los parámetros constantes se
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hizo teniendo en cuenta lo estudiado en la literatura (sección 2.3.3), estos son: presión, composición de la
atmósfera, y voltaje. Por otro lado los parámetros que se van a estudiar son la temperatura y el tiempo. En
total se hicieron 4 tratamientos diferentes para los cuales se realizaron tres replicas para un total de 12
tratamientos. El propósito de este estudio es observar cómo se comportan las propiedades
microestructurales y mecánicas del material en función de la temperatura y el tiempo del tratamiento,
teniendo en cuenta que los demás parámetros se dejaron constantes para todos los tratamientos.
SELECCIÓN DE LOS PARÁMETROS DEL PROCESO
Para la selección de los parámetros se tuvo en cuenta todo lo estudiado en la sección 2.3.3 y los resultados
obtenidos en la sección de caracterización del reactor (4.1). En Tabla 8 se puede observar los parámetros
seleccionados para realizar los ciclos de nitruración por plasma.
Composición
de la
atmósfera
Presión [mbar] Voltaje de la
Fuente [V] y
Tasa de Flujo
[ /min]
Temperatura
*˚C+
Tiempo [h]
65% -33%Ar-
2%
4 600 460 480 y 550 2 y 4
Tabla 8. Parámetros seleccionados para los ciclos de nitruración.
PROCEDIMIENTO PARA REALIZAR LOS CICLOS DE NITRURACIÓN
A continuación se presenta el protocolo utilizado para realizar cada ciclo de nitruración, para la realización
de este protocolo se tuvo en cuenta los trabajos realizados en las referencias (20) (7) (17) y los resultados
obtenidos en la caracterización del reactor (sección 4.1).
1. Limpieza de los electrodos dado el caso de que se encuentren oxidados. El método empleado fue por
medio del ligado a mano de la piezas hasta quitar los óxidos. Las ligas utilizadas fueron 340 y 400.
2. Ubicación de los elementos en el reactor y posicionar los o-rings de manera adecuada para sellar la
cámara (ver Figura 19).
3. Se inicia la Bomba de vacío abriendo la válvula de control al máximo flujo durante 10 min hasta llegar a
una presión de 8 Pa (0.06 torr, 0.08 mbar). Si la presión no alcanza a tomar este valor verificar el sistema
para detectar posibles fugas.
4. Permitir la entrada de argón en un flujo de 100 sccm durante 5 min para barrer la cámara de este gas.
45
5. Cerrar el flujo de Ar y permitir la entrada de a un flujo de 2 sccm y una presión de 1 mbar. En este
momento se debe iniciar la descarga seleccionando un voltaje 600V y ton de 10 µs durante 15 min para
eliminar impurezas sobre la superficie de la pieza.
6. Permitir la entrada de los gases de Ar, e regulando el flujo poco a poco hasta llegar al flujo deseado.
La presión se puede mantener baja en un principio y regular a medida que aumenta la temperatura. En este
punto se empieza a variar el tiempo de encendido en 10 µs cada 5 min y después de 30 min se puede
aumentar esta tasa a 30 µs cada 5 min hasta llegar a la temperatura deseada. Es importante tener en cuenta
que para que el material no sufra un cambio drástico de temperatura, es recomendable tener una tasa de
aumento de 10˚C/min. Para esto se utilizan los resultados obtenidos en la caracterización de la descarga
sección4.1.
7. Una vez cumplido el tiempo de tratamiento el primer paso es bajar el tiempo de encendido a 10 µs,
cerrar el flujo de nitrógeno y esperar hasta que la temperatura baje a 200 ˚C. Por debajo de esta
temperatura se cierra el flujo de argón, se detiene la descarga y se mantiene con solo hidrógeno hasta llegar
a una temperatura de 50 ˚C.
8. Cuando se llegue a una temperatura aproximada de 50 ˚C se puede apagar la fuente de voltaje y abrir al
máximo la válvula de la bomba para bajar la presión, dejando el flujo de hidrógeno abierto hasta que
lleguemos a temperatura ambiente. Posteriormente retiramos la pieza y se vuelve a preparar todo para un
nuevo tratamiento.
3.2.3 FASE DE SELECCIÓN DEL MEJOR PROCESO DE NITRURACIÓN
Después de que se realizaron los tratamientos viene la parte de caracterización de propiedades
microestructurales y mecánicas. Los procedimientos para realizar las caracterizaciones se van a explicar en la
sección 3.4 de este capítulo debido a que es el mismo procedimiento que se realiza sobre los tratamientos
de Tenifer realizados por la industria. Para la selección del mejor tratamiento se tuvo en cuenta los
resultados obtenidos de la caracterización, los parámetros de selección son los siguientes:
Mayor tamaño de capa blanca: Según los resultados obtenidos en la literatura (3), la capa blanca
formada sirve como protección contra la corrosión mejorando la resistencia significativamente en
comparación con el acero no nitrurado.
Mayor zona de difusión en cuanto a dureza y profundidad: Los resultados obtenidos en la literatura
(4) muestran que la resistencia a fatiga es mayor para aceros nitrurados con zonas de difusión más
profundas y duras.
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Menor porosidad en la capa blanca que la obtenida para el proceso de Tenifer: Se espera que a
menor porosidad la superficie este mejor protegida contra la corrosión. Para esta hipótesis no se
encontró ningún trabajo realizado sobre este tipo de material con este tipo de tratamiento que
demostrara la influencia de la porosidad en la capa blanca pero por conocimientos generales se
espera que las superficies porosas sean más propensas a permitir la entrada de óxidos y
contaminantes que afecten el comportamiento de la superficie.
3.3 ESTUDIO DEL PROCESO DE TENIFER REALIZADO POR LA INDUSTRIA
Para esta parte del estudio se mandó a tratar por Tenifer muestras con las mismas características
dimensionales que las utilizadas para los tratamientos por plasma a una empresa de tratamientos térmicos
de la industria bogotana.
3.3.1 PARÁMETROS DEL PROCESO DE TENIFER REALIZADO POR LA INDUSTRIA
Existen diferentes formas de llevar a cabo el proceso dependiendo de lo que se quiere obtener y del tipo de
sal utilizada. Típicamente un proceso de nitrocarburación por medio de baño de sales tiene el siguiente
procedimiento:
1. Pre-calentamiento de la pieza en aire a hasta llegar a una temperatura de 350 ˚C.
2. El proceso se lleva a cabo a una temperatura que varía entre 550 ˚C y 580 ˚C por aproximadamente
2 horas.
3. Enfriamiento de la pieza hasta llegar a una temperatura de 400˚C, este proceso es llamado
enfriamiento medio.
4. Enfriamiento final hasta llegar a temperatura ambiente.
5. Limpieza de las piezas con agua.
Los Aceros AISI 4140 y 4340 estudiados en este proyecto fueron sometidos a un proceso de Tenifer con los
parámetros de los tratamientos que se muestran a continuación, los cuales fueron suministrados por la
empresa encargada del tratamiento:
Temperatura de pre-calentamiento: 400˚C.
Tiempo a temperatura de pre-calentamiento: 1 hora.
Temperatura de Tenifer: 560˚C.
Tiempo de sostenimiento a 560 ˚C: 2 horas.
Medio de enfriamiento: Tecni oxi.
Temperatura de medio de enfriamiento: 360 ˚C.
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Tiempo de inmersión en medio de enfriamiento: 30 min.
La sal utilizada para el tratamiento: Tecnit B.
3.4 CARACTERIZACIÓN DE LAS MUESTRAS
La parte de caracterización de las muestras se realizó igual para todos los tratamientos de nitruración por
plasma y los de Tenifer. Esto se hizo para poder compara los resultados directamente. La caracterización se
divide en dos partes, una parte de propiedades microestructurales y otra de propiedades mecánicas en la
superficie de las piezas tratadas.
3.4.1 PREPARACIÓN DE LAS MUESTRAS
Se preparan muestras metalográficas de las piezas tratadas siguiendo el procedimiento descrito por la
referencia (1) y la norma ASTM E 3. El procedimiento consiste en cortar las piezas cilíndricas por la mitad por
medio de un disco de diamante a una velocidad de 375 rpm utilizando alcohol como refrigerante. Una mitad
es embebida en poliestireno con viruta ubicada alrededor de la muestra para endurecer el embebido.
Después se pule la pieza con lijas desde 240 hasta 1200 pasando por 320, 400, 600, 1000. A continuación se
pasa la pieza por un paño con alúmina de 0.3 µm y luego 0.05 µm por medio de un disco rotatorio a 180
rpm.
Las muestras que van a ser utilizadas para pruebas de micro dureza son atacadas después de hacer
la prueba debido a que la pieza atacada deja ver colores que distorsionan la imagen y no permiten
enfocar bien la huella indentada, causando un posible error por parte del operario.
Para poder observar la pieza en el microscopio óptico debemos primero atacarla con Nital. La
preparación del nital consiste en una mezcla de 5 ml de (acido nítrico) y 95 ml de etilo
alcohol. La pieza debe ser atacada por alrededor de 3 a 8 segundos teniendo cuidado de no
sobrepasarse para no quemar la superficie. En la Figura 28 podemos observar un esquema del
procedimiento explicado en esta sección.
Para observar las muestras en el microscopio electrónico debemos envolver la resina del embebido
en aluminio debido a que el material de la resina no es conductor. Adicionalmente se colocaron
pedazos de cinta de carbono cerca de los bordes para mejorar la resolución del borde de la
muestra.
48
Figura 28. Procedimiento para preparación de las muestras, Esquema tomado de la referencia (7).
3.4.2 CARACTERIZACIÓN DE LA MICROESTRUCTURA
Para realizar la caracterización de la capa blanca formada por el tratamiento se deben tener en cuentas tres
cosas. Por un lado tenemos la composición de la capa (que fases se presentan) y las características que
presenta la microestructura después del tratamiento y por otro lado el tamaño de la capa blanca y la
porosidad de la misma.
MICROESTRUCTURA Y COMPOSICIÓN DE LA CAPA BLANCA
Para realizar el análisis de la microestructura y la composición de la capa blanca se utiliza el microscopio
óptico y el electrónico.
Por medio del microscopio óptico se puede observar la microestructura del material después de
realizado el tratamiento para verificar la formación de la capa blanca y la microestructura de la
zona de difusión. Para esto observamos en el microscopio óptico las muestras después de haber
sido preparadas según lo descrito en la sección 3.4.2.
El microscopio electrónico también permite observar la capa blanca y la microestructura de la zona
de difusión pero adicionalmente se puede utilizar la herramienta EDS (Energy Dispersive X-ray
Spectroscopy) para realizar un análisis químico de composición. Este análisis permite saber que
elementos se encuentran en la superficie del área estudiada (Spot size) por medio de un conteo de
partículas en un determinado tiempo. La herramienta permite saber que tanto nitrógeno alcanzó a
penetrar en la capa superficial. Para realizar comparaciones es necesario utilizar siempre los
mismos parámetros de spot size, tiempo de exposición, conteo de partículas y energía de ataque. A
49
continuación se puede ver un ejemplo de un análisis realizado con la herramienta EDS, donde por
medio del conteo de átomos de nitrógeno se puede determinar la presencia de estos conforme
nos desplazamos en dirección al núcleo del material.
Figura 29. Análisis de la microestructura utilizando la herramienta EDS del microscopio electrónico (MEB).
TAMAÑO DE LA CAPA BLANCA
Con la ayuda del programa de análisis de imagen disponible en el laboratorio Analysis Five olympus, se
puede cuantificar el tamaño de la capa blanca realizando varias mediciones a través de los bordes de la
muestra utilizando la opción “measure layer thicknes”. Esta opción permite seleccionar el borde exterior e
interior de la capa y por medio de la opción “measure” mide la distancia perpendicular entre los bordes
seleccionados, la cantidad de mediciones se puede ajustar para cada selección. Finalmente el software hace
un reporte de las mediciones realizadas. En la Figura 30 se observa la forma como se realizan las
mediciones sobre un foto tomada a 1000X. Para que las mediciones sean confiables se toman diferentes
mediciones alrededor de los bordes nitrurados para asegurar que la capa sea homogénea y los datos
confiables.
Figura 30. Cuantificación de la capa blanca, acero AISI 4140 tratado por Tenifer durante 2h, 5% Nital, 1000x.
50
POROSIDAD DE LA CAPA BLANCA
Para realizar este análisis se siguió el protocolo utilizado por Juan Guillermo Schlief [1] en su proyecto de
grado, el cual consiste en utilizar el software IMAGEJ para realizar el conteo de pixeles de un determinado
color en un área seleccionada de varias maneras. La idea es poder contar los poros en la capa blanca de
determinada área de análisis.
1. El primer paso consiste en tomar varias fotos (15-20 fotos) a la región nitrurada con el fin de observar las
diferentes capas. Para esto se deben utilizar dos instrumentos:
Microscopio óptico Olympus BX51M: Debido a que el microscopio óptico revela la imagen a color,
debemos cambiarla a un formato de 8 bit de tal forma que quede en blanco y negro para que el
programa pueda detectar los poros. Debemos tomar fotos a 500X y 1000X alrededor de toda la
pieza para poder analizar la capa.
Microscopio electrónico de barrido Olympus Quanta 2000 (MEB): la ventaja del MEB frente al
microscopio óptico es que no hay que manipular la foto ya que esta se encuentra en blanco y
negro. En el caso del MEB se deben tomar fotos a 2000X y 4000X alrededor de toda la capa de la
muestra para poder hacer el análisis.
2. Al tener la foto en el formato 8bit, se debe seleccionar la capa blanca, la cual va a ser analizada por medio
de una selección poligonal para tener libertad de seleccionarla en cualquier dirección. Muchas veces es
complicado seleccionar el área de la capa blanca, por lo tanto se puede utilizar la opción cortar de manera
robusta la imagen de la capa y aumentar su formato para tener mejor detalle.
Figura 31. Selección de la capa blanca que va a ser analizada por medio del software IMAGEJ (7).
3. Al tener la capa blanca seleccionada, se utiliza la opción “Threshold” por medio de la cual la imagen
adopta dos colores diferentes, pueden ser grises y rojos o blancos y negros, dependiendo que lo que se
quiera seleccionar. La opción grises rojos es más adecuada debido al contraste de los colores que permite
diferenciar mejor las zonas. Para las capas blancas bien definidas se puede utilizar la opción blanco y negro,
51
en donde los poros corresponden a la parte blanca de la imagen. A continuación en la Figura 32 se puede
ver un ejemplo de ambos casos,
Figura 32. Análisis de la imagen utilizando la herramienta threshold del software IMAGEJ.
4. Una vez se ha configurado la opción adecuada Threshold, el paso siguiente es realizar el conteo de pixeles
por medio del software, el cual calcula un área gris y una roja o negra y blanca, dando un porcentaje total
del área cubierta por la capa blanca dentro de la zona escogida, el resto son puntos grises que cuentan la
porosidad existente en la capa debido a grietas y poros. A continuación se puede observar el resultado que
muestra el programa después de contar el área de la capa blanca.
5. El proceso final consiste en cuantificar por lo menos 15 fotos tomadas en diferentes segmentos la capa
blanca para cuantificar la porosidad del tratamiento.
3.4.3 CARACTERIZACIÓN DE LAS PROPIEADES MECÁNICAS
PERFIL DE MICRODUREZAS SUPERFICIALES (ZONA DE DIFUSIÓN)
Para comprobar la dureza de la capa blanca de las muestras se realizó una medida de micro dureza Vickers
en la superficie del material por medio de un micro-durómetro Buehler MicroMet®5104 y tomando como
referencia la Norma ASTM E384. Teniendo en cuenta el tamaño de la capa blanca, se realizaron las
mediciones para que el indentador no atravesara esta capa. Para comprobar que efectivamente se
estuviera haciendo una medición correcta, se utilizó una relación proveniente del manual del instrumento
52
en la cual se indica que la profundidad de penetración del indentador se puede relacionar con la longitud
medida de la diagonal de la huella por medio de la siguiente formula.
, donde D corresponde a la medida de la diagonal de la huella
después de haber penetrado la muestra.
Para poder realizar el perfil de micro durezas se debe cortar la pieza cilíndrica por la mitad y pulir teniendo
en cuenta el procedimiento explicado en la sección 3.4.1. Seguido se procede a realizar el perfil de durezas
teniendo en cuenta que la norma ASTM E 384, la cual dice que se deben realizar mediciones cada 2.5 veces
la longitud de la diagonal indentada. Teóricamente se esperan tener capas de alrededor de 500 µm de
espesor por esta razón se pretenden tomar medidas a cada 25 µm.
Para el perfil de durezas se tomaron medidas a una distancia de 2.5 veces la longitud de la diagonal, como lo
indica la norma ASTM E384. También se utilizó una carga de 100 gr durante 15 segundos para todas las
mediciones.
3.5 ANÁLISIS ESTADÍSTICO DE CONFIABILIDAD
El análisis estadístico se hace para poder hacer afirmaciones entre tratamientos con cierto grado de
confiabilidad. Básicamente lo que se quiere medir es si las medias entre replicas son iguales y si los cambios
realizados sobre los parámetros (Temperatura y tiempo) de los tratamientos afectan los resultados de un
factor en particular (Tamaño de capa blanca, porosidad, etc). Para el caso de las replicas podemos utilizar el
estadístico t-stundet para comprobar que las medias entre réplicas son iguales con un intervalo de confianza
con cierto grado de confiabilidad. Por otro lado podemos utilizar el análisis de varianzas ANOVA para
comprobar las medias entre los tratamientos para analizar si los cambios en los parámetros afectan una
propiedad en particular.
3.5.1 ANÁLISIS DE VARIANCIAS ANOVA
Para el caso de la comparación entre tratamientos lo que interesa saber es si los parámetros que se están
cambiando, temperatura y tiempo, influyen en el cambio de la propiedad que es analizada (p.e porosidad,
tamaño de capa, etc). Para esto se hizo un análisis de varianzas ANOVA con a=2 niveles y n=3 número de
réplicas. En realidad se tienen 4 niveles que corresponden a los 4 tratamientos que se realizaron, pero
como se quiere saber cómo influye la temperatura o el tiempo nada más se comparan 2 tratamientos. Por
ejemplo: si se quere saber cómo afecta la temperatura se tienen que comparar los tratamientos con el
mismo tiempo de ciclo.
53
Para el análisis se debe hacer una prueba de hipótesis entre medias de los diferentes niveles (tratamientos).
La hipótesis es la siguiente: Ho= las medias son iguales, Ha= las medias son diferentes. Para rechazar o
aceptar la hipótesis se hace uso de la función estadística F, en donde se compara un experimental a partir
de los cálculos que se presentan en la Tabla 9 con un F teórico. Al final se concluye que hay diferencias entre
las medias si:
Donde α es el porcentaje de confiabilidad, a el número de niveles y N es igual al total de tratamientos
realizados. (21)
La Tabla 9 presenta los modelos que se tienen que calcular para poder hacer el análisis ANOVA de un solo
factor. Para ver como se calculan los valores de tabla ver capítulo 3 de la referencia. (21)
Fuente de
variación
Suma de
cuadrados (S.S)
Grados de libertad
(GDL)
Media cuadrada
(M.S)
Fo
Entre tratamientos a-1
Error N-a
Total N-1
Tabla 9. Cálculos para realizar el análisis de varianzas ANOVA (21).
54
4. RESULTADOS Y ANÁLISIS
4.1 CARACTERIZACIÓN DEL REACTOR DE PLASMA
4.1.1 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE LA BASE DEL REACTOR
En la Figura 33 se puede ver la forma como se simularon las presiones sobre la base del reactor por medio
del software ANSYS.
Figura 33. Diagrama de cuerpo libre en ANSYS.
Una vez fijadas las presiones se escogen como parámetros de análisis el esfuerzo equivalente de Von Mises y
la deformación unitaria equivalente del elemento. En la Figura 34 se muestran los resultados de la
simulación para el análisis de esfuerzo equivalente de Von Mises y en la Figura 35 se observa el análisis de
deformación unitaria.
55
Figura 34. Análisis de esfuerzo equivalente de Von mises para el diseño.
Figura 35. Análisis de deformación unitaria sobre la pieza diseñada.
Como se puede observar en la Figura 35, el valor de la deformación unitaria máxima es menor al que se
había propuesto para permitir el diseño ( mm/mm), lo que quiere decir que el cambio en las
dimensiones de la base después que se le aplican las cargas es relativamente bajo con respecto a las
56
dimensiones iniciales. Por otro lado, en la Figura 34 se puede apreciar que el esfuerzo máximo equivalente
es de 36 MPa, lo cual es mucho menor que el esfuerzo de cedencia del Acero inoxidable (215 MPa). En
conclusión se puede considerar apropiado el diseño propuesto para fabricar la nueva base del reactor de
plasma.
Con respecto a la parte experimental una vez construida la base y adaptada al reactor se puede decir que el
comportamiento se mantuvo como se esperaba. A ninguna presión de trabajo se tuvo problemas de flexión
de la base que se pudieran observar y los elementos dentro de la cámara se mantuvieron en sus lugares sin
afectar los tratamientos.
En la Figura 36 se puede ver una foto del reactor con la base diseñada construida y en el anexo 1 tenemos el
plano de la base.
Figura 36. Reactor de plasma con la nueva base de acero inoxidable.
4.1.2 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE LOS ELECTRODOS
El diseño propuesto mostró un buen comportamiento en cuanto a que permite medir la temperatura
siempre en el mismo punto para todos los tratamientos. Los elementos de aislamiento eléctrico como el
tubo de alúmina y el tubo de vidrio lograron aislar los electrodos de los demás componentes del reactor,
permitiendo la generación de la descarga solo en la zona requerida entre el cátodo y el ánodo. El único
problema que se tuvo fue con la camisa de protección de acero inoxidable y el tubo de acero inoxidable del
cátodo, ya que en algunas ocasiones se presenció descarga entre la camisa y el tubo de acero inoxidable del
cátodo y también problemas cuando estos dos elementos quedaban en contacto. Para solucionar estos
problemas solamente tocaba verificar que la disposición fuera la correcta antes de cerrar la cámara para
iniciar un proceso de nitruración, debido a que estos elementos no pueden estar en contacto.
57
4.1.3 CARACTERIZACIÓN DEL SISTEMA DE VACÍO
En la Figura 37 se presentan los resultados observados antes y después de instalar los elementos diseñados
para este proyecto (base reactor, electrodos, etc.). En la gráfica de la izquierda se observa que la presión
disminuye hasta estabilizarse en un valor de 0.2064 mbar (20 Pa) en aproximadamente 20 minutos. Por otro
lado en la gráfica de la derecha se puede ver que la presión disminuye rápidamente logrando obtener una
presión de 0.0824 mbar (8 Pa) en 20 minutos. En la gráfica del sistema antes de hacer los cambios se
observa que la presión sigue bajando lentamente y le toma más de dos horas al sistema estabilizarse
mientras que el sistema con los cambios realizados llega a un valor estable en menor tiempo (20 min).
A partir de los resultados observados en estas gráfica se puede concluir que el sistema de vacío mejoró
después de instalados los nuevos elementos ya que se reportó una presión final inferior a la reportada antes
de los cambios en un menor tiempo.
Figura 37. Caracterización del sistema de vacío (Bomba on).
En la Figura 38 se muestran los resultados correspondientes al segundo ensayo realizado para caracterizar
el sistema de vacío. Como se puede observar es evidente que la línea verde, correspondiente a los datos
tomados antes de realizar los cambios, tiene una mayor pendiente que la línea roja. Esta pendiente está
directamente relacionada con la entrada de oxígeno a la cámara correspondiente a las fugas que tiene el
sistema. Lo que indica este análisis es que después de realizados los cambios propuestos se disminuyeron las
fugas en el sistema lo que indica que se redujo la tasa de entrada de oxígeno a la cámara.
58
Figura 38. Caracterización del sistema de vacío (Bomba off).
Con la ayuda de la información de la Figura 38 se puede calcular la tasa de aire que ingresa a la cámara y
por lo tanto la tasa de oxígeno.
En total se encontró una tasa de entrada de 13.8 de aire y por lo tanto una tasa de 2.89
de oxígeno. Esto indica que la tasa de flujo de hidrógeno en el sistema tiene que ser mayor al valor de la del
oxígeno para prevenir que las piezas se oxiden durante el tratamiento.
4.1.4 CARACTERIZACIÓN DE LA DESCARGA
En las Figuras 39, 40 y 41 se muestran los resultados obtenidos del ensayo propuesto para caracterizar la
descarga. Las gráficas indican el comportamiento de la temperatura en función del tiempo de encendido
(Ton) con los demás parámetros constantes (Presión, Composición de la atmósfera y Voltaje). El objetivo de
este procedimiento es determinar la presión y voltaje que mejor se ajuste a nuestro proceso para realizar los
ciclos de tratamiento, teniendo en cuenta el comportamiento de nuestro sistema y lo estudiado en la
sección 2.3.3. También se pudo comprobar que el sistema se puede controlar por medio de los parámetros
del proceso y de esta manera asegurar que siempre que se ajusten los parámetros en algún valor específico
la respuesta del sistema va hacer la misma.
En la Figura 39 se observa el comportamiento de la temperatura para una presión de 3 mbar, la cual tiene
un cambio rápido al principio conforme aumentamos el Ton pero que después se estabiliza reduciendo la
tasa de cambio. Como se puede observar la temperatura se estabilizó en alrededor de 500˚C para 600 V en
aproximadamente 600 µs (Ton). Por otro lado en la prueba con el Voltaje de 400 V no se obtuvo una
temperatura lo suficientemente alta (350 ˚C) para un proceso de nitruración.
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0123456789
10
0 50 100 150 200
Pre
sió
n (
mb
ar)
tiempo (min)
Sistema de vacío (Bomba off)
Sistema da vacío después
Pre
sió
n [
Pa]
59
Figura 39. Caracterización de la descarga, P=3mbar.
En la Figura 40 se muestra el comportamiento de la temperatura para una presión de 4 mbar. Para el caso
de 600 V se observa que se lograron alcanzar temperaturas altas de 600 ˚C con 450 µs. En cuanto al voltaje
de 400 V se logró obtener una temperatura de 420 ˚C con 700 µs.
Figura 40. Caracterización de la descarga, P=4mbar.
Por último la presión de 8 mbar como era de esperarse presenta los cambios más rápidos debido a que
existen más especies en el espacio que interaccionan entre sí generando el calentamiento de las piezas. El
Problema que se tuvo al trabajar con esta presión fue que en algunas ocasiones se presentaba descarga
entre la camisa de protección y el cátodo produciendo pequeños micro arcos que afectaban la lectura de la
temperatura.
0
100
200
300
400
500
600
0 200 400 600 800
Tem
pe
ratu
ra (
˚C)
Ton (µs)
Caracterización de la descarga P=3mbar
V=600V
V=400V
0
100
200
300
400
500
600
700
0 200 400 600 800
Tem
pe
ratu
ra (
˚C)
Ton (µs)
Caracterización de la descarga P=4mbar
V=600V
V=400V
60
Figura 41. Caracterización de la descarga, P=8mbar.
En conclusión se escogió que para realizar los tratamientos vamos a utilizar una presión de 4mbar a un
voltaje de 600 V, teniendo en cuenta que la presión de 8mbar representa un cambio muy rápido y la de 3
mbar uno muy lento con respecto al tiempo de encendido. Según lo estudiado en la sección 2.3.2 este rango
de presión y voltaje es válido para realizar procesos de nitruración por plasma de buena calidad.
4.2 CARACTERIZACIÓN DEL PROCESO DE NITRURACIÓN POR PLASMA OBTENIDO EN EL
LABORATORIO
4.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS ACEROS PARA NITRURACIÓN
ANÁLISIS DE COMPOSICIÓN QUÍMICA
Las tablas 10 y 11 muestran los resultados obtenidos por medio del análisis de espectroscopia óptica.
Comparando estos resultados con los de las tablas 5 y 6 se observa que los valores se encuentran entre el
rango especificado y por lo tanto se puede concluir que se trata de una composición similar. En el caso del
acero AISI 4140 vemos en la Tabla 10 que el cromo está un poco por debajo del rango (0.8-1.1) mientras que
los demás elementos entran dentro de los rangos. Por otro lado en el acero 4340 todos los elementos se
encuentran dentro del rango observado en la Tabla 6.
Acero AISI % C % Cr % Fe % Mn % Mo %Ni % P % Si % S
4140 0.38 0.78 96.94 0.85 0.19 0.10 0.026 0.23 0.03 Desv.Stand 0.007 0.001 0.06 0.003 0.01 0.005 0.002 0.001 0.003
Tabla 10. Análisis de composición química del acero AISI 4140.
0
100
200
300
400
500
600
700
0 100 200 300 400 500 600
Tem
pe
ratu
ra (
˚C)
Ton (µs)
Caracterización de la descarga P=8mbar
V=600V
V=400V
61
Acero AISI % C % Cr % Fe % Mn % Mo %Ni % P % Si % S
4340 0.38 0.77 95.35 0.73 0.21 1.78 0.026 0.27 0.027 Desv.Stand 0.013 0.006 0.115 0.009 0.003 0.012 0.002 0.002 0.002
Tabla 11. Análisis de composición química del acero AISI 4340.
ANÁLISIS DE MICRO ESTRUCTURA
En la Figura 42 se pueden observar micrografías tomadas en el microscopio óptico de ambos aceros en
donde se puede identificar la estructura correspondiente a una martensita revenida. Las finas partículas
blancas en la imagen corresponden a la cementita y la parte oscura a la ferrita. Comparando estos
resultados con los estudiados en la sección 3.2.1 se puede ver que las microestructuras son parecidas y por
lo tanto confirmar que los aceros se sometieron al proceso de bonificación.
Figura 42. Micro estructura de los Aceros AISI 4140 y 4340, martensita revenida. Micrografías 1000X, 5% Nital. a) Acero AISI 4140, b)
acero AISI 4340 y c) Ampliación de la microestructura del acero AISI 4140.
RESULTADOS DE DUREZAS
Se tomaron durezas en la escala Rockwell C teniendo en cuenta el procedimiento descrito en la sección
3.2.1. A continuación en la Tabla 12 se presentan los resultados obtenidos.
62
4140 4340
Promedio Dureza (Rockwell C)
28.7 28.3
Desv. Estándar 0.6 1.5
Tabla 12. Durezas de los Aceros AISI 4140 y 4340 adquiridos en la industria.
Comparando los valores de la Tabla 12 con los de la Tabla 7, 30 HRC para el 4340 y 27 HRC 4140, se puede
ver que están muy cerca y se puede considerar que se trata del mismo material. Hay que tener en cuenta
que la empresa en donde se compraron los aceros no dieron mucha información acerca del proceso de
bonificado y por lo tanto no se sabe exactamente las temperaturas y tiempos del proceso por lo que se
pueden encontrar ciertas diferencias en las comparaciones.
4.2.2 CARACTERIZACIÓN DE LA FASE DE EXPLORACIÓN DEL PROCESO DE
NITRURACIÓN POR PLASMA SOBRE EL ACERO AISI 4340
CARACTERIZACIÓN DE LA MICROESTRCTURA
En la Figura 43 se muestran los resultados obtenidos para los cuatro (4) tratamientos propuestos en la
sección 3.2.2. En las micrografías de la Figura 43 se puede ver que para los cuatro tratamientos la capa
blanca formada es muy parecida a la descrita en la sección 2.2.2. Según lo estudiado en la literatura esta
capa está compuesta por nitruros fase ε ( ) y fase γ´( ). Se tiene sospechas de que la capa blanca
formada este compuesta en su mayoría de la fase ε ( ) pero para estar más seguros se debe realizar
un análisis de difracción de rayos X. La gran diferencia que se puede ver entre los tratamientos en cuanto a
la capa blanca viene dada por su tamaño y porosidad.
Figura 43. Micrografías del Acero AISI 4340 tratado por plasma, 1000X atacado al 5% Nital. a) Tratamiento de 2 horas a 480 ˚C. b)
Tratamiento 4 h a 480 ˚C. c) Tratamiento de 2 h a 550 ˚C. d) Tratamiento de 4h a 550˚C.
En cuanto a la microestructura del material vemos que la martensita revenida se mantiene para los cuatro
tratamientos pero se puede detectar una diferencia en cuanto al tamaño. Para los tratamientos a 550 ˚C se
tiene una estructura más fina en comparación con los tratamientos a 480 ˚C. La razón por la que sucede esto
63
tiene que ver con la difusión del nitrógeno dentro de la estructura, lo cual hace que se distorsione la
estructura del material y por ende se vea más fina. Sabiendo esto se podría hacer la hipótesis de que los
tratamientos a 550 ˚C obtienen una mayor penetración de nitrógeno en la zona de difusión y por lo tanto la
dureza va a ser mayor que para los tratamientos a 480˚C. El tiempo de tratamiento también afecta la
microestructura, si se comparan las imágenes “a” y “b” se puede ver que para el ciclo de 4 horas la
estructura es más fina que para el de 2 horas, esto se encuentra dentro de lo esperado ya que a mayor
tiempo de tratamiento mayor posibilidad de que penetre el nitrógeno y forme los compuestos (nitruros)
creando la distorsión de la estructura.
TAMAÑO DE LA CAPA BLANCA
En la Tabla 13 se muestran los valores calculados del tamaño de la capa blanca para los ciclos de nitruración.
Las mediciones se tomaron teniendo en cuenta lo descrito en la sección 3.4.3.
Tamaño de capa
blanca [µm]
480˚C -2h 480˚C -4h 550˚C -2h 550˚C -4h
Media 4.5 4.9 10.4 13.3
Des. Estándar 0.7 0.8 1.4 1.3
Intervalo 95% 4.2-4.8 4.6-5.2 9.9-10.9 12.8-13.8
Tabla 13. Tamaño de la capa blanca para los diferentes ciclos, Acero 4340 Nitrurado por plasma.
En la Figura 44 se observan los resultados encontrados del tamaño de la capa para los diferentes ciclos de
nitruración comparando la influencia del tiempo y la temperatura por separado. En las gráficas
correspondientes al cambio con el tiempo se puede ver que a mayor tiempo mayor tamaño de capa. Este
resultado es consistente con los resultados obtenidos en la literatura (4) ya que se espera que a mayor
tiempo mayor sean las reacciones que permitan la formación de nitruros sobre la superficie del material. Por
otro lado, se puede ver en las gráficas que el tamaño de la capa blanca cambia en mayor proporción cuando
se aumenta la temperatura. Para los procesos de 550˚C el tamaño de la capa es más del doble que los
realizados a 480˚C, mientras que al aumentar el tiempo de 2 a 4 horas el cambio no es tan notorio lo que
quiere decir que la temperatura afecta en una mayor proporción el tamaño de la capa. Esta conclusión
concuerda con los resultados obtenidos por la referencia (4). Las mediciones se sometieron a un análisis
estadístico, en donde se comprobó que las medias cambian con la temperatura con un 95% de confiabilidad.
Con respecto al tiempo en el caso de los tratamientos realizados a 480˚C los cambios en el tamaño de la
capa blanca no fueron lo suficientemente grande sin embargo del análisis estadístico se puede decir que se
obtuvo un cambio con una confiabilidad del 90 %. Para los tratamientos a 550 ˚C se logró obtener un cambio
significativo con un 95% de confiabilidad.
64
Figura 44. Tamaño de la capa blanca en función del tiempo y la Temperatura. Acero 4340 Nitrurado por plasma. Intervalo de
confianza 95%.
POROSIDAD DE LA CAPA BLANCA
Para caracterizar el porcentaje de poros de la capa blanca primero se realizó un análisis visual por medio de
imágenes tomadas en el microscopio óptico y el microscopio electrónico de barrido para cada ciclo de
nitruración. Después se utilizó el protocolo descrito en la sección 3.4.2 para medir el porcentaje de poros en
la capa blanca para cada tratamiento y comparar los resultados.
En la Figura 45 se observan las micrografías tomadas en el microscopio electrónico de barrido para los
tratamientos de nitruración por plasma del acero 4340. En estas imágenes se puede observar los poros en la
parte superficial de la capa blanca. Si se comparan las micrografías “a” y ”b”, las cuales corresponden a una
misma temperatura (480 ˚C), se puede ver que para el tratamiento de 2 horas la porosidad en la capa es
menor que para el de 4 horas. Por otro lado en las figuras “c” y “d” pasa algo similar ya que para el
tratamiento de 550 ˚C y 2 horas la porosidad parece ser menor que para el de 4 horas. Este análisis se puede
comparar con los resultados de la caracterización utilizando el software IMAGEJ y de esta manera concluir
algo concreto acerca de la porosidad de la capa.
65
Figura 45. Análisis de porosidad en los tratamientos por plasma. Micrografías MEB: a) Acero 4340 nitrurado por plasma a 480 ˚C por
2h. b) Acero 4340 nitrurado por plasma a 480 ˚C por 4h. c) Acero 4340 nitrurado por plasma a 550˚C por 2h. d) Acero 4340 nitrurado
por plasma a 550 ˚C por 4h.
A continuación en la Figura 46 se muestran los resultados encontrados para las porosidades de la capa
blanca de los distintos tratamientos. Los resultados obtenidos concuerdan con el análisis visual hecho
previamente sobre la Figura 45. En conclusión se observa que para tiempos de tratamiento mayores, mayor
es el porcentaje de poros en la capa blanca. Esto tiene mucha lógica porque se esperar que entre más
tiempo expongamos las piezas al tratamiento por plasma, mayor tiempo va a recibir el bombardeo de iones
que va afectar la porosidad una vez se haya formado la capa blanca sobre la superficie. El análisis estadístico
confirmó cambios en las mediciones de la porosidad entre tratamientos con un 95% de confiabilidad.
Figura 46. Medición del porcentaje de porosidad en la capa blanca para los tratamientos por plasma.
66
PERFIL DE DUREZA SUPERFICIAL (ZONA DE DIFUSIÓN)
La zona de difusión es muy importante en este tipo de tratamientos porque como se demostró en los
resultados obtenidos en la referencia (4), el espesor de la zona de difusión está relacionado con el desgaste
por fatiga. En los resultados se encontró que las piezas nitruradas con una zona de difusión más amplia
mostraron mejor comportamiento al desgaste por fatiga que las de zonas poco profundas. A demás hay que
tener en cuenta que la capa blanca al ser tan dura también es muy frágil por lo tanto un acero con una
amplia zona de difusión tendería a comportarse mejor frente a uno con una zona pequeña.
En la Figura 47 se observa el comportamiento de la zona de difusión en función del cambio de la
temperatura y el tiempo de nitruración. En el grafico “a” se puede ver como la zona de difusión para el
tiempo de 4 horas es mayor que para 2 horas (ambos a 550 ˚C), lo que indica esto es que el nitrógeno
penetró más en la superficie afectando la dureza del material. Lo mismo sucede en el caso del grafico “b”
donde a mayor tiempo de tratamiento se obtuvo una zona más amplia para una misma temperatura. Las
figuras “c” y “d” muestran cómo influye la temperatura en la zona de difusión. Como se puede observar a
mayor temperatura mayor zona de difusión. Estos resultados también concuerda con los encontrados en la
literatura (4) (1).
Figura 47. Perfil de dureza para diferentes ciclos de nitruración por plasma.
67
4.3 COMPARACIÓN ENTRE EL PROCESO NITRURACIÓN POR PLASMA Y EL TENIFER
PARA LOS ACEROS AISI 4140 Y 4340
4.3.1 SELECCIÓN DE LOS CICLOS DE NITRURACIÓN POR PLASMA PARA COMPARACIÓN
CON EL PROCESO TENIFER
Una vez se obtienen los resultados de la caracterización de los tratamientos de la fase de exploración, se
puede elegir el tratamiento que mejores propiedades presentó para aplicárselo al acero 4140 teniendo en
cuenta lo discutido en la sección 3.2.2. El proceso que se escogió es el de 550 ˚C y 4 horas debido a que es el
que mayor tamaño de capa blanca presenta y mayor zona de difusión, manteniendo una alta dureza en la
superficie. En cuanto a la porosidad se puede decir que fue el que mayor porosidad presentó pero
igualmente se puede considerar que no es muy alta y puede ser útil para algunas aplicaciones, como por
ejemplo para piezas que estén en contacto con un lubricante.
4.3.2 COMPARACIÓN ENTRE LOS PROCESOS
COMPARACIÓN ENTRE LAS MICROESTRUCTURAS
En la Figura 48 se observan cuatro imágenes tomadas en el microscopio óptico para los tratamientos por
plasma y Tenifer de los aceros 4140 y 4340. Como se puede apreciar en la imagen para el tratamiento de
plasma, ambos aceros lograron obtener una capa blanca de mayor tamaño a la obtenida por el Tenifer.
Analizando las micrografías también se puede ver que la micro estructura (Martensita revenida) de los
aceros nitrurados por plasma es mucho más fina (pequeña) que la obtenida por Tenifer. Esto puede dar un
indicio de que la dureza superficial obtenida para los ciclos de nitruración por plasma va a ser mayor a la
obtenida por los tratamientos de Tenifer. Hay que tener en cuenta que el tratamiento de Tenifer se realizó
en un ciclo más corto en comparación con los de plasma.
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Figura 48. Comparación de la capa blanca entre la nitruración por plasma y el Tenifer. Micrografías: a) Acero 4340 tratado por
Tenifer a 560 ˚C por 2h. b) Acero 4340 nitrurado por plasma a 550 ˚C por 4h. c) Acero 4140 tratado por Tenifer a 560 ˚C por 4h. d)
Acero 4140 nitrurado por plasma a 550 ˚C por 4h.
COMPARACIÓN ENTRE EL TAMAÑO DE LAS CAPAS BLANCAS
En la Tabla 14 y Figura 49 se muestran los resultados de las mediciones del tamaño de la capa blanca para
los tratamientos de nitruración por plasma y tenifer. Como se puede observar en la tabla, se logró obtener
espesores de capa mayores por plasma que con tenifer, teniendo en cuenta que los ciclos de plasma se
hicieron a 4 horas y el Tenifer a 2 horas. Igualmente se puede comparar los resultados obtenidos en la Tabla
13 para un tratamiento de 550˚C y 2 horas con los obtenidos por el tenifer y ver que aunque tienen el
mismo tiempo de tratamiento el plasma sigue obteniendo espesores de capas mayores. Estos resultados se
encuentran dentro de lo que se espera ya que la gran diferencia entre el plasma y un tratamiento como el
tenifer es que en el último solo hay reacciones químicas que permiten la difusión de nitrógeno, mientras que
el plasma es un proceso fisicoquímico donde no solo se tiene difusión si no que también implantación (por el
bombardeo de iones de nitrógeno) y deposición (debido al sputtering de hierro que reacciona con los
69
átomos neutros de nitrógeno formando los nitruros que se depositan en la superficie). Los resultados
mostraron un 95 % de confiabilidad en cuanto a la diferencia entre tratamientos.
Tamaño de la capa Blanca [µm]
Acero 4140 Plasma 550 ˚C-4h
Acero 4140 Tenifer 560 ˚C-2h
Acero 4340 Plasma 550 ˚C-4h
Acero 4340 Tenifer 550 ˚C-4h
Media 16.9 4.3 13.3 4.3 Des. Estándar 1.2 0.5 1.3 0.5 Intervalo 95% 16.5-17.3 4.1-4.5 12.8-13-8 4.1-4.5
Tabla 14. Comparación tamaño de la capa blanca entre el proceso de nitruración por plasma y el Tenifer.
Figura 49. Comparación del tamaño de la capa blanca obtenida por los procesos de nitruración por plasma y Tenifer para los aceros
AISI 4140 y 4340. Intervalo de confianza 95%.
COMPARACIÓN ENTRE LA POROSIDAD DE LA CAPA BLANCA
En la Figura 50 se muestran cuatro micrografías tomadas en el microscopio electrónico de barrido que
sirven para comparar la porosidad entre los tratamientos de nitruración por plasma y Tenifer. Las
micrografías “a” y “b” corresponden al tratamiento del acero 4340 por plasma y por Tenifer
respectivamente. Las micrografías “c” y “d” son las correspondientes de los tratamientos de plasma y
Tenifer para el acero 4140. Si se observa las imágenes “b” y “d”, que corresponden al tratamiento de
Tenifer, se puede ver que tienen un parecido en cuanto al comportamiento de la porosidad, el cual parece
formar grietas en la superficie de la capa blanca. Por otro lado en los tratamientos de plasma (imágenes “a”
y “c”) la porosidad tiene una forma redonda como se puede apreciar en las imágenes. Una diferencia que se
puede observar en los tratamientos es que la porosidad en el plasma se mantiene solo en la zona más
superficial de la capa blanca mientras que el Tenifer las grietas alcanzan a penetrar en mayor proporción la
capa. Las capas blancas son diferentes porque están formadas por compuestos diferentes, esto se debe a
70
que el proceso Tenifer es un proceso de nitrocarburización por lo cual esperamos que se forme una capa
blanca compuesta de carbo nitruros de hierro.
Figura 50. Comparación de la porosidad entre el proceso de nitruración por plasma y el Tenifer. Micrografías: a) Acero 4340
Nitrurado por plasma a 550 ˚C por 4h. b) Acero 4340 tratado por Tenifer 560 ˚C por 2h. c) Acero 4140 Nitrurado por plasma a 550 ˚C
por 4h. d) Acero 4140 tratado por Tenifer a 560 ˚C por 2h.
A continuación en la Tabla 15 y Figura 51 se presentan los resultados obtenidos por medio de la
cuantificación de los poros hechos con a la ayuda del software IMAGEJ. Los resultados muestran que el
porcentaje de porosidad en la capa blanca para el tratamiento de tenifer es mayor que la obtenida por
medio del plasma, esto es evidente solo haciendo un análisis visual de las imágenes tomadas en el MEB para
los tratamientos. Con respecto al análisis estadístico se puede decir con un 95 % de confiabilidad que los
tratamientos tienen porcentajes de porosidad diferentes.
71
Tabla 15. Comparación entre el porcentaje de porosidad en la capa blanca obtenido por plasma y el Tenifer.
Figura 51. Comparación entre el porcentaje de porosidad para los tratamientos de nitruración por plasma y Tenifer. Intervalo de
confianza al 95%.
COMPARACIÓN DEL PERFIL DE DUREZA SUPERFICIAL (ZONA DE DIFUSIÓN)
El análisis de perfil de durezas se hace porque interesa saber cómo se comporta el material en la zona de
difusión. Como se ha mencionado anteriormente, la capa blanca puede ser muy dura pero al mismo tiempo
frágil entonces es muy común que esta capa se desprenda de las piezas con facilidad. Por otro lado una alta
dureza mantenida en la zona de difusión no es frágil y permite mejorar el comportamiento de las piezas en
cuanto al desgaste a fatiga (4). Por esta razón el objetivo es obtener piezas con una amplia zona de difusión
que mantengan una dureza alta.
En la Figura 52 se muestran dos graficas donde se comparan los tratamientos de nitruración por plasma con
el tenifer y un proceso de nitruración gaseosa encontrado en la literatura (22). En la gráfica correspondiente
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
po
rosi
dad
en
la c
apa
bla
nca
(%
) AISI 4140 Plasma 550 C-4h
AISI 4140 Tenifer 560 C-2h
AISI 4340 Plasma 550 C-2h
AISI 4340 Plasma 550 C-4h
AISI 4340 Tenifer 560 C-2h
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al tratamiento del acero 4340 se observa que los procesos de nitruración por plasma presentaron una zona
de difusión mayor que la obtenida por el tratamiento de tenifer. Por otro lado se tiene el proceso de
nitruración gaseosa el cual presentó un comportamiento similar al del proceso de plasma de 550 ˚ C y 4
horas.
En la gráfica correspondiente a los tratamientos para el acero 4140 se muestra que nuevamente el
tratamiento de plasma obtuvo una zona de difusión más amplia que la obtenida por el Tenifer, manteniendo
la dureza más adentro de la superficie. En el caso del proceso de nitruración gaseosa se puede ver que la
dureza obtenida es mayor a la obtenida en el plasma y el tenifer y la profundidad es un poco menor que el
obtenido en el proceso de plasma para 550˚ C y 4 horas.
Nuevamente estos resultados concuerdan con lo estudiado en la literatura (1) (4) (8) ya que se espera que el
plasma obtenga mayor penetración que los otros proceso debido a que se trata de un proceso fisicoquímico.
Figura 52. Comparación entre procesos de nitruración para los aceros AISI 4340 y 4140. El proceso de nitruración gaseosa fue
tomado de la literatura (22).
73
5. CONCLUSIONES
5.1 CONCLUSIONES DEL PROCESO DE NITRURACIÓN POR PLASMA
Como resultado de la parte de caracterización del instrumento se logró demostrar que el proceso se puede
controlar para realizar experimentos confiables y repetibles. Con respecto al procedimiento de plasma se
obtuvieron resultados esperados en cuanto al comportamiento de las propiedades microestructurales y
mecánicas del acero AISI 4340 teniendo en cuenta los resultados obtenidos en la literatura (4). A
continuación un resumen de los resultados obtenidos:
Se puede concluir que el proceso de nitruración por plasma es reproducible ya que logramos
obtener resultados similares entre replicas para un mismo tratamiento con un 90 % de
confiablidad.
El tamaño de la capa blanca varía con el tiempo y la temperatura pero la temperatura representa
un cambio mayor que el tiempo. Entre mayor tiempo y temperatura mayor tamaño de capa blanca.
El análisis estadístico confirmó los cambios entre medias con un 95% de confiabilidad para la
mayoría de tratamientos.
La zona de difusión aumenta con la temperatura y el tiempo. Es deseable tener una zona de
difusión amplia para mejorar el desgaste por fatiga de las piezas (4).
La dureza de la zona de difusión aumenta con la temperatura y el tiempo de los ciclos de
nitruración de los aceros estudiados, aunque se ha demostrado en trabajos consultados en la
literatura (4) (7) (22) que estos resultados no son iguales para todos los tipos de aceros.
La porosidad de la capa blanca mostró diferencias en cuanto al cambio de la temperatura y el
tiempo con un 90% de confiabilidad. Del comportamiento se puede decir que la porosidad aumenta
con el tiempo de tratamiento. Si queremos obtener superficies con una capa blanca poco porosa
debemos hacer que los ciclos de nitruración sean cortos.
El acero 4140 nitrurado por plasma presentó un comportamiento similar al esperado teniendo en
cuanta el análisis realizado sobre el acero 4340. Por lo tanto se puede concluir que los aceros que
tengan composiciones similares al 4340 y 4140 van a presentar un comportamiento similar frente a
un proceso de nitruración por plasma.
74
5.2 CONCLUSIONES DE LA COMPARACIÓN ENTRE LOS PROCESOS DE NITRURACIÓN
POR PLASMA Y EL TENIFER
Se pudo demostrar que el proceso de nitruración por plasma para los aceros de bajo contenido de
elementos aleantes AISI 4140 y 4340 puede competir con el proceso industrial Tenifer en cuanto a la
obtención de mejores propiedades microestructurales y mecánicas. A continuación se presentan un
resumen de los resultados obtenidos.
La composición de la capa blanca para un tratamiento de nitruración por plasma es diferente a la
de un Tenifer debido a que el Tenifer presenta la formación de carbo nitruros de hierro en la capa
blanca. Esta diferencia en la composición tiene un efecto a nivel de la porosidad para ambos
tratamientos.
El tamaño de la capa blanca para tratamientos de plasma a 550 ˚C demostró ser alrededor de tres
veces más grande que el tamaño obtenido por el Tenifer. Nuevamente esto se explica teniendo en
cuenta que las reacciones en el plasma son fisicoquímicas y no solo químicas como en el Tenifer.
La porosidad de los tratamientos logrados por plasma es menor que la obtenida por el Tenifer y
presentan una morfología diferente.
Dado que el plasma es un proceso fisicoquímico y en el Tenifer solo hay reacciones químicas de
difusión, Se lograron obtener zonas de difusión más amplias para tratamientos por plasma en
comparación con el Tenifer. La dureza de la zona de difusión se mantiene más alta en la superficie
para procesos de nitruración por plasma.
75
6. ANEXOS
6.1 PLANOS DE LA BASE DEL REACTOR
76
6.2 PLANOS ELECTRODOS
77
7. BIBLIOGRAFÍA
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post-discharge microwave plasma. México : s.n., 2004.
4. S. Sule, Kahraman, Kaluc, Erding. Effect of ion nitriding surface hardening process on fatigue behavior of
AISI 4340 steel. Turquía : Kocaeli University, 2006.
5. Campo, Fritz. Parámetros en un horno de plasma(DC glow discharge) . Bogotá, Colombia : Universidad de
los Andes, 2006.
6. Vizcaino, Dairo. Estudio de la nitruración por plasma y diseño, construcción y montaje de equipo para el
tratamiento de aceros para herramienta. Bogotá : Universidad de los Andes, 2007.
7. Schlief, Juan Guillermo. Estudio experimental de nitruración por plasma y comparación con el proceso
industrial Tenifer en Colombia para aceros de herramienta. Bogotá : Universidad de los Andes, 2009.
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12. García, Bocanegra. Efecto del flujo del gas en la nitruración iónica de aceros para herramientas de
conformado en frío . Bogotá, Colombia : Universidad Nacional de Colombia , 2003.
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14. Grimaldos, Rafael. Diseño, Construcción y puesta en fincionamiento de un reactor plásmico para
nitruración de piezas de acero. Tunja, Colombia : Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia, 1998.
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componentes de metal duro. Bogotá, Colombia : Universidad de los Andes, 2006.
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22. Valencia, Sheila Cordova. Nitruración gaseosa en los aceros SAE 4340, 4140, SAE 0-1, SAE 1045. Lima,
Peru : Universidad Nacional de San Marcos, 2003.