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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

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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

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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

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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

Page 4: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

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

Page 5: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

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

Page 6: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

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

Page 7: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

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

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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.

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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

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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)

Page 11: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

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

Page 12: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

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)

Page 13: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

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

Page 14: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

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

Page 15: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

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.

Page 16: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

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).

Page 17: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

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).

Page 18: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

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

Page 19: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

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)

Page 20: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

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 %.

Page 21: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

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

Page 22: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

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

Page 23: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

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).

Page 24: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

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.

Page 25: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

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

Page 26: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

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)

Page 27: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

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.

Page 28: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

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

Page 29: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

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).

Page 30: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

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.

Page 31: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

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.

Page 32: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

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.

Page 33: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

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

Page 34: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

33

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..

Page 35: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

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.

Page 36: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

35

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.

Page 37: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

36

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

Page 38: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

37

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.

Page 39: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

38

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.

Page 40: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

39

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

Page 41: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

40

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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41

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

Page 43: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

42

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.

Page 44: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

43

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

Page 45: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

44

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.

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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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46

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.

Page 48: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

47

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.

Page 49: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

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

Page 50: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

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.

Page 51: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

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,

Page 52: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

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

Page 53: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

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.

Page 54: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

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).

Page 55: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

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.

Page 56: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

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

Page 57: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

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.

Page 58: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

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.

Page 59: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

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]

Page 60: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

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

Page 61: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

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

Page 62: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

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.

Page 63: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

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

Page 64: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

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.

Page 65: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

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.

Page 66: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

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.

Page 67: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN 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.

Page 68: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA 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.

Page 69: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

68

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

Page 70: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

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

Page 71: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

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.

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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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72

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).

Page 74: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA NITRURACIÓN POR PLASMA …

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.

Page 75: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA 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.

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75

6. ANEXOS

6.1 PLANOS DE LA BASE DEL REACTOR

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76

6.2 PLANOS ELECTRODOS

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77

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