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ARTÍCULO DE INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA Y TECNOLÓGICA
NITROCARBURACIÓN AUSTENÍTICA DE LOS ACEROS AISI SAE 1020 Y 8620
MEDIANTE EL EMPLEO DE ALCOHOLES Y NITRURANTES LÍQUIDOS
Carlos Arturo Bohórquez Ávda1
RESUMEN
En el presente trabajo, se aplican los fundamentos de los procesos de Nitrocarburaclón tradicionales cuya finalidad
es mejorar entre otras las siguientes propiedades: dureza superficial, resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión.
Todo esto contando con una lmPOrtante ventaja. la baja o
casi nula distorsión dimensional. El novedoso aporte en este tratamiento es la utolizac1ón
de Urea y Trietanolamlna disueltos en alcoholes como
el metano! y el isopropanol. en reemplazo del amoniaco
(NH3) y gases endotérm1cos para ser ut1hzadas como fuentes de Nitrógeno y carbono. Los resultados obtenidos
permiten caracterizar el proceso en !Jempos. temperaturas.
composición de la mezcla y ftu¡o de la misma en el horno. obteniendo perfiles de durezas y m1croestructuras similares
a las encontradas en las referencias b1bhográficas.
perm1t1endo de esta manera brondar una alternativa para
la utilización de este ptoceso a menor costo. Los aceros
ut1hzados fueron el AJSI SAE 1020 y 8620. con el proposito de observar la influencia de algunos elementos aleantes
en el desarrollo del tratamiento.
PALABRAS CLAVE
N1trocarburación austenít1ca, Urea. Trietanolamina.
tratamientos termoqu ím1cos
Fecha de recepción del artículo: Febrero 20 de 2007. Fecha de aceptación dol artículo: Marzo 20 de 2007.
Docente Investigador. Universidad Libre.
56 AVANCES Investigación º" 1n¡¡onlcrio. 2007 No. 7
ABSTRACT
In the present work, we apply the bases of the proccsses
of Nitrocarburizing traditional whose purpose is to produce
a superficial enrichment of carbon and 11ltrogen to fo rm a layer of composed 1n the surface of the steels of low and hall a Carbon. with the encourage of lmprove among others
the following properties: superficial hardness, resistance al
wear. res1stance to the corrosion. All th1s w1th an 1mPQrtant advantage of these processes: the drop or almost null distort1on dimensional. The improve contributlon in this processing is the utilization of Urea and Triethanolamlne
disolved in alcohols as !he Metanol and the lsopropanol. in replacement of the ammonia (NH3) and endOthermlc
gases for to be ut1hzed like sources of N1trogen and carbon. The results obta1ned perm1t to charactenze the process in times. temperatures. composition or !he m1Xture and
flow of !he same one in !he oven, obta1ning profiles of hardnesses and similar mocroestructural to them found on !he references. perm itting in this manner 10 offer an
altemative for the utilization of th1s process tO smaller cost The steels utihzed were the AISI SAE 1020 and 8620. fO< the purpose of observ1ng !he influence or some alloy1ng
elements in the development of the processong.
KEYWORDS:
Austenitic nitrocarburizing, Urea, Triethanolamine. Heat
Treating.
; ' 1
1 ; 1 l 1 ;
;
l f j l
r
t
PROCESO DE NITROCARBURACIÓN AUSTENÍTICA
El proceso consiste en un tratamiento termoquim1co que comprende la difusión de carbono y nitrógeno desde la superficie de materiales ferrosos con el propósito de obtener una capa formada por la combinación de estos dos elementos. Esta capa en la cual el cambio químico produ cido modifica el campo de estabilidad de la austeníta, y que además sirve para disminuir la temperatura desde la cual se puede realizar el enfriamiento rápido con el propósito de transformar la austenita en martensita. Las temperaturas usuales en las que se realiza el proceso oscilan entre los 7000C y los 8200C. entonces el tratamiento se hace en un estado de austenización parcial o total del acero lo que causa un comportamiento diferente a los procesos convencionales de carbonitruracíón que se realizan a temperaturas superiores. Los procesos de Nitrocarburación se dividen en dos grandes grupos: Nitrocarburación femt1ca en baños de sales' y Nltrocarburación gaseosa'. La na turaleza de la zona de compuestos obtenidos difiere considerablemente de la encontrada en los procesos convencionales de nitruración, la capa formada es la combinación de fase gama prima (r). que son nitruros; y la fase épsilon (&), fase doble inherentemente frágil. Los procesos de nitrocarburación producen una fase sencilla en la zona de compuestos llamada ·capa blanca·. con lo que se elimina este problema. Una propiedad que se mantiene d e los procesos de nitruración es la dureza con valores comprendidos entre los 55 y
los 70 RC, dependiendo de la composición obtenida en el tratamiento. La gran diferencia está en que la capa de compuestos queda soportada por una capa
ma rtensítica obtenida por la difusión de Carbono y
nitrógeno.
La temperatura del tratamiento tiene una influencia decisiva en las cantidades adicionadas de Carbono y nitrógeno. cuando esta temperatura es elevada existe un predominio en la incorporación de carbono al acero. por el contrario cuando la temperatura
Knetocs of the Gaseosos Nrtrocarburcsong Proces. J Siyeke. L Spro¡¡e. Surfaoe Engineering. 1989, Vol 5 No. 2 pp. 125
140. 1 PhysicalMetallurgyAspectsoflheAustenltJCN•trocarbunsing
Process. T. Bcll, M. Kinal. Heat Treatment of MetalS. L987. vol 2. pp. 47 . 51
disminuye el nitrógeno es el elemento que aumenta su actividad en la superficie del acero. Los procesos de mtrocarburación han tenido gran importancia por la me¡ora en las propiedades superf1c1ales. su principal característica es que se realiza a relativamente bajas temperaturas cercanas a los 700ºC, esto minimiza la distorsión causada por el cambio br usco de temperatura.
Todos los tratamientos de nltrocarburación buscan básicamente producir una capa de carbonitruros Epsilón (&). los porcentajes de Carbono y nitrógeno necesarios para obtener este compuesto se muestran en la Figura 1 (aproxi madamente 4% de Ni y 1 % de C). En la superficie del acero se forma esta capa soportada por una zona de difusión de carbono; zona que al someterla a un enfriamiento rápido se transforma en martens1ta. y al realizar un revenido se convierte en un soporte ideal para la capa de carbomtruros. modificando las propiedades obtenidas por otros tratamientos simílares. esto es Independiente del método de nitrocarburación que se utilice . La velocidad de crecimiento. composición y propiedades mecánicas de la capa de compuestos es influenciada directamente por la composición de la atmósfera en la que se realiza el tratamiento.
Existen referencias de procesos industriales que
aplican esta técnica. La empresa Huyton Heat Treatments Ltda., ha desarrollado tres procesos comerciales de nitrocarburaclón austenitica gaseosa que se realizan en hornos eléctricos con capacidad de
realizar el temple en agua o aceite. con atmósferas que utilizan un gas portador de nitrógeno y metano! enriquecido con Amoniaco que son las fuentes de nitrógeno y Carbono·•.
Los procesos se hacen en cuatro partes:
Carbonitrurac1ón a temperaturas que superan los 700ºC.
Disminución de la temperatura hasta 700ºC y sostenimiento durante varias horas.
Temple en aceite desde los 700"C para transformar la zona que soporta la capa blanca de austeníta a martensita.
En algunos casos se realizan tratamientos posteriores para transformar la Austenita retenida en martensita o en balnita dependiendo de la aplicación que se le quiera dar a la pieza. esto se obtiene realizando un tratamiento subcero donde se lleva la pieza a temperaturas comprendidas
AVANCES Investigación en Ingeniería . 2007 No. 7 57
•
Figura 1. Sección Isotérmica a 700 ºC del diagrama de fases ternario Fe-C-N que muestra el desarrollo de las
fases durante el proceso de nitrocarburación3•
2 3 4 S %N
entre los ·70ºC y los ·120 ºC o con un revenido
por encima de la temperatura de transformación
Ms, normalmente en el rango de 300ºC y 400ºC seguido de un enfriamiento al aire.
ATMÓSFERAS PARA NITROCARBURACIÓN AUSTENÍTICA
El requerimiento básico de las atmósferas
gaseosas para nitrocarburación es suministrar
simultáneamente Nitrógeno y Carbono a la superficie de materiales ferrosos para producir la fase c. La
generación de atmósferas obtenidas únicamente por
el goteo de líquidos. tiene un campo de aplicación
amplio, ofrece además la ventaja de sustituir el amoníaco como fuente de Nitrógeno.
Cuando se trata de tener un solo compuesto orgánico
como fuente de carbono y Nitrógeno. es común recurrir a la mezcla de distintos componentes. Puede llevarse a cabo conjuntamente en el mismo líquido o separadamente. cada uno de ellos con una función
especifica en la mezcla, para proceder a la regulación
de la cantidad aportada según las necesidades de
cada fase del proceso. De los variados compuestos orgánicos que contienen nitrógeno y que han sido utilizados como portadores de éste en los procesos de Nitrocarburación, cabe destacar: anilina. piridina.
etanolamina. trietanolamina, Urea y forma mida.
3 The constitut1on of Hardened Surfaces Produced by Low· Temperature Garbonitriding. L Kiessling. Heat Treatments oí metals. 1978 No, 4, pg. 95-99.
• Knetlcs of the Gaseosus Nitrocarburisin g Proces. J Sl)'Cke .. L Sproge .. Surface Engineering
58 AVANCES Investigación en lngenieria . 2007 No. 7
Las diferencias en cuanto a composición química
y estructura molecular de estos compuestos
nitrogenados. hace que se presenten variaciones
notables en su comportamiento en el horno. En
consecuencia, las características de las atmósferas
generadas se diferencian en gran medida por
las posibilidades de regulación y la eficacia de la
incorporación de Nitrógeno y Carbono.
En la presente investigación se utilizan sustancias
orgánicas tales como alcoholes, trietanolamina
y Urea. para producir la atmósfera deseada. La
ventaja de este proceso radica fundamentalmente
en el bajo costo de los equipos e insumos utilizados.
Los alcoholes empleados son el metanol y el
isopropanol. los cuales generan en gran medida el
Carbono necesario para obtener las microestructuras
deseadas. El metanol actúa como gas portador y el
isopropanol como activador.
DESARROLLO ESTRUCTURAL DURANTE LA NITROCARBURACIÓN
El crecimiento de las fases en el proceso de
nitrocarburación se muestra esquemáticamente en
las siguientes figuras y se explica a continuación.
Durante el proceso, e y y' se formarán inicialmente
dentro de la zona de difusión y posteriormente estas
mis mas fases se formarán parcialmente en la capa
de compuestos.
De acuerdo con el diagrama Fe-N-C (Figura 1).
se puede analizar la evolución del proceso. Todos
los aceros al carbono presentan ex + Fe3C a las temperaturas del proceso y las cantidades de
Carbono oscilan entre 0.003% y 6.67%.
FORMACIÓN INICIAL DE LAS FASES EN LA ZONA DE DIFUSIÓN
1. Si se considera la nitrocarburación de un acero
de bajo Carbono (por ejemplo 0.1% C) en una
atmósfera con una baja actividad de carbono,
comenzarán a disolverse pequeñas cantidades de
Nitrógeno en y Fe3C. Cuando las fases se saturen
de n itrógeno se formará la fase a partir de la
cementita hasta que se consuma esta última de
acuerdo con la siguiente reacción :
(1)
, ,
l E
• ;
La composición superficial durante este proceso se irá alternando de acuerdo al diagrama de fases
(Figura 3). desde a + Fe3C hasta a. +e. a través
del campo de a + Fe3C +e . 2. Si la actividad del Carbono cae por deba¡o de un
determinado nivel, la fase e se transformará en y' hasta consumirse la fase e (Figura 3), así:
a +e -Ht. +y' (2)
Esta transformación ocurrirá, de acuerdo con el
dia grama ternario Fe - N • C, a través del ca mpo a+ e +y'. (Figura 3). Como se observa. la estructura continua siendo bifásica en la zona
de difusión ya que hasta este momento no se ha comenzado a formar la capa de compuestos.
La Figura 2 ilustra la secuencia antenormente expuesta.
Figura 2. Transformación de la zona de difusión al comienzo de la nitrocarburac1ón.
l Cl .. a
Zona d e Difusión
Matriz
Figura 3. Transformación de la zona de dlíuslón al aumentar la concertación de Nitrógeno
en la nitrocarburación. -
a C< + + C< Fe3C
l a +
CI. a Fe3C + + c:J. a
. • Zona de Difusi ón Matriz
FORMACIÓN DE LA CAPA DE COMPUESTOS
1. En la medida en que crece la actividad de
Nitrógeno. se comienza a formar en la superficie de la pieza una capa de y· a expensas de la ferrita (Figura 4).
La presencia de la capa y' se debe a elevadas concentraciones de Nitrógeno presentes en el ca mpo a+y'. El crecimiento de esta capa se produce por la difusión de nitrógeno a través de ella.
2. Si la actividad del Nitrógeno aumenta. la capa de y' se transformará en e y se observará una capa compuesta tipo duplex formada por e y y' •&(Figura 5). Esta secuencia de eventos se presenta en las pnmeras horas (je nitrocarbunzacion y conlleva a
una disminución del Carbono en la interfase entre la capa compuesta y la zona de d1fus1ón. la cual. al
pasar el t iempo, se va compensando por la difusión de Carbono desde la zona de difusión hacia la parte externa, como a través de la capa de compuestos por efecto de la atmósfera nitrocarburante.
El aumento del Carbono reducirá a estabilidad de y' y eventualmente se nucleará en la interfase entre y' y la zona de difusión.
3. Finalmente crecerá a través de y· + e y y'
desaparecerá después de varias horas de nitrocarburización .
Si un acero de bajo Carbono es nitrocarburizado en una atmósfera de elevada actividad de Carbono, ocurren
Figura 4. Transformación de la capa de compuestos durante el proceso de
nitrocarburación.
a o. ci + + o. ci + a Fc,c
" . T y " Capa de 7.onn de Matriz
Con1puestos Difu .. ión
'
AVANCES Investigación en Ingeni ería - 2007 No. 7 59
los mismos eventos analizados anteriormente. pero en tiempo menor. Esto significa Que la capa formada por y' se desintegra en las primeras etapas del proceso, en comparación con el proceso realizado con una baja actividad de Carbono. el cual fue analizado anteriormente.
Cuando se tratan aceros de alto contenido de Carbono en atmósferas de elevada actividad de Carbono. Queda suprimida la formación de y' y la capa será únicamente de c. la cual comenzará a formarse desde el comienzo del proceso.
Con el aumento del tiempo del proceso, la act1V1dad del Carbono disminuye en e l área cercana a la interface entre la capa de compuestos y la zona de difusión. Esta carencia de Carbono necesario para que ocurran las transformaciones. es suplida por la difusión de Carbono desde el interior del acero hasta que el Carbono es nuevamente aportado por la atmósfera del tratamiento. El aumento de la actividad del Carbono puede reducir la estabilidad de la fase y'. eventualmente la fase puede ser nucleada en la interface entre el sustrato y la capa de y'.
En los procesos de nitrocarburación, el Carbono se
difunde desde el núcleo de los aceros tratados. Esto estabiliza la fase en la interface la zona de difusión y la zona de compuestos y una nueva capa de fase de
bajo nitrógeno. la formación de esta fase puede darse enseguida de la capa e + y'. Este comportamiento puede ser entendido en el diagrama de fases. sí el gradiente de concentración desde la zona de Q+C Que es una doble fase. hasta la zona de c.
Figura 5. Desarrollo estructural durante la nitrocarburación
ci
a.: +
a. a
y Capa de
Compuestos
a. +
a.
i ;. T
Zona de Difusión
60 AVANCES lnveslfgaci6n en lngenieria. 2007 No. 7
a. +
Fe3C
l
Matriz
PROCESO
El proceso de nitrocarburación austenitica que se aplicó fue el resultado de pruebas preliminares.
Aceros
En la presente investigación se emplearon aceros para cementación, es decir. aceros de bajo Carbono, acero AISI 1020. Con el fin de observar la influencia de los elementos aleantes en le tratamiento, se utilizó un acero AISI 8620. En la pruebas preliminares se ensayó el tratamiento con aceros de mayor contenido de Carbono es decir AISI 1045, pero no se obtuvo buenos resultados.
Análisis químico
La composición química del acero es determinada mediante la quema en el espectrómetro de emisión de chispa, PV-4. El análisis se realizó en los aceros
en le estado de entrega y esta expresado en forma porcentual, para el acero AISI SAE 1020 C D.21 %, Cr 0.11%, Ni 0.09%. Mo 0.03%, Mn 0.63%, V 0%, Co 0.01%, W 0.03%, P 0.021%, S 0.013%, Si 0.13%, y
el acero AISI SAE 8620 C0.19%, Cr 0.57%. Ni 0.51%. Mo 0.19%, Mn 1.22%, V 0.01%, Co 0.02%, W 0.01%, P 0.03%. S 0.02%, SI 0.2%.
TEMPERATURAS Y TIEMPOS
El tratamiento se realizó de la siguiente manera:
Oxidación : 1 Hora a 400"C. • Nitrocarburización • Temple • Revenido
: 4 Horas a 700°C. : En agua. : 1 Hora 350°C.
El anterior proceso se realiza para dos composiciones
diferentes de la atmósfera, mostradas en la Tabla 1. una basada en Urea y otra en Trletanolamina.
ENSAYOS
Con el fin de caracterizar la capa formada mediante el tratamiento, se realizaron los ensayos de desgaste. difracción de rayos X, metalografía, corrosión y
microdureza.
Desgaste
La prueba se llevó a cabo variando el tiempo durante el cual se somete la pieza a la acción de la fuerza de
fricción, el dato tomado en la prueba es el diámetro
1 l
E (
e '
t
r
¡ ¡ E
( (
1
Tabla 1. Composiciones de las mezclas a gotear en el proceso de Nitrocarburación A ustenítica.
Urea . - . -------Gr/100ml
Composición 1 10 . Composición 2 . 15
de la huella dejada durante el ensayo. valor que
se mide con la ayuda del analizador de imágenes.
Con estos datos se puede hallar el valor del área de
esta huella y como el valor del volumen de material
desalojado es proporcional a esa área, este valor se
gráfica contra el tiempo de duración de la prueba.
El comportamiento de los dos aceros
nitrocarburizados con Urea es muy parecido. se pude
decir que tienen la misma tendencia, la presencia
de elementos aleantes en el acero AISI 8620 no afecta sustancialmente este comportamiento.
Por el contrario, el comport amiento de los aceros
tratados con Trietanolamina es muy diferente, la
presencia de elementos alea ntes no se manifiesta
en una mayor resistencia al desgaste, contrario a lo
que dicen las referencias bibliografías.
Sin excepción las curvas de desgaste· para los aceros
tratados mostradas en la Figura. 6. evidencian que la
nitrocarburación realizada con Urea y trietanolamina
aporta grandes beneficios aumentando la resistencia
al desgaste de los aceros tratados. Existen diferencias
en los resultados encontrados con cada compuesto,
se ve como al utilizar Urea es mayor la resistencia al
desgaste en los dos aceros empleados. posiblemente
causado por un mayor potencial de nitrógeno en la
. . . . . . . .. .
98 2 6
83 2 6
atmósfera lo cual genera un aumento de la dureza
supemcial.
Otro factor que mejora este comportamiento es la estructura que soport a la capa blanca luego del revenido. estructura formada por bainit a y martensita que aumenta significativamente la resistencia de desgaste•.
MICRODUREZAS
Para la toma de las microduresas se cuenta con un equipo LECO. La dureza Knoop facilita la medición de capas por la forma alargada de la huella. Las indentaciones se pract icaron a 10. 20. 30. 40, 50,
7 0, 100. 120. 150. 200 y 250 micras desde la
superficie del acero en dirección al núcleo, para cada
uno de los aceros tratados con Urea y Trietanolamina
respectivamente.
Se observa, en la Figura 7, la diferencia en los valores para cada uno de los compuestos utilizados, debido
principalmente al hecho de que la Trietanolamina
produce una capa más profunda . S e tiene una mayor cantidad de austenita retenida. que disminuye la
• Physlcal Metallurg:¡.Aspe<:tsoftheAusteniticNitrocarburising Process. Bell. T, Kinali M. Heat Treatment of Metals, 1987. pp. 47· 51. vol 2.
Tabla 2. Comparación entre el aumento porcentual de la resistencia al desgaste del acero AISI 1020.
nitrocarburizado a 700ºC 4 hora s, templado y revenido a 350 ºC. una hora con Urea y Trietanolamina.
TIEM PO (s) 5 10 20 30 45 60 90 1 20 150 PR O
TRIETANOLAMINA 76 68 67 65 62 58 58 59 58 64%
UREA 80 83 75 63 53 53 53 59 67 67%
Tabla 3. Comparación entre el aumento porcentual de la resistencia al desgaste del acero AISI 8620,
nitrocarburizado 4 horas a 700ºC, templado y revenido una Hora a 350ºC. Con Urea Y Trietanolamina.
TIEMPO (S) 5 10 20 30 45
TRIETANOL A MINA 68 66 51 48 37
UREA 64 50 50 52 55
60 90 120 150 PRO
35 37 41 4 0 4 8 %
61 71 69 4 6 56%
AVANCES Investigació n en Ingeniería · 2007 No. 7 61
Figura 6. Curvas comparativas de desgaste para los aceros AJSI SA.E 1020 y 8620 nitrocarbunzado con
Urea y Tnetanolam1na a 700 "C 4 h0<as. templado y revenido a 350 •e 1 hora.
l1' SAYO OE DESGASTE . \CERO l020 1.•,----------------�
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dureza en la zona de difusión. Sin embargo, al disminuir la cantidad de austeníta retenida, la dureza aumenta. Cuando el tratamiento se realiza con Urea. la dureza en cercanía de la superficie es mayor, 850 Knoop. debido principalmente a que la Urea es un compuesto que
suministra mayor cantidad de Nitrógeno al acero. Los
dos procesos mantienen el mismo comportamiento luego de las 100 micras de distancia para obtener las
mismas durezas que en el núcieo.
El tratamiento de mtrocarburación austeníttca realizado en los aceros 1020 y 8620, prOduce
un cambio en la dureza superficial del acero que contribuye a que se mejoren las propiedades de resistencia al desgaste y resistencia a la fatiga. Las
62 AVANCES lnvostlgaclón en Ingeniería • 2007 No. 7
Flg 7 a. Perfil de microdurezas del acero 1020
Nitrocarburado con Urea a 700 "C 4 horas, templado y
revenido 1 hora a 350 •c. b. Perfil de dureza del acero 1020 mtrocarbur izado con tríetanolamlna a 700 "C 4
horas. templado y revenido 1 hora a 350 •c. Mi�ruJure-1¡¡l A«ru 1020 Trn111do
t'l.'ln Ut'f11 1000 �---------------�
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B 1 • • < •
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elevadas durezas en la superficie hacen suponer la presencia del carbonitruro c.
De las Tablas 4 y 5 se puede concluir que las piezas tratadas muestran un incremento en la dureza superficial considerable, manifiesto en la mejora de las propiedades de resistencia al desgaste.
ANÁLISIS QUÍMICO
El análisis químico comprende las quemas hechas
en el espectrómetro de emisión. La siguiente tabla
n r
i
s il e d c e L e
\
;
T
muestra la composición química del acero luego de realizar la nitrocarburización con trietanolamina a 700ºC 4 horas, temple y revenido a 350ºC 1 hora.
Se observa claramente, en las Tablas 6 y 7, la influencia del tratamiento térmico en la difusión de Carbono, comportamiento que ayuda a la formación del nitruro en la superficie del acero tratado. Como
consecuencia de ta transformación de la cementita
en la capa, el tratamiento también muestra cómo la
Urea y la Trietanolami na aportan Carbono a la reacción de nitrocarburización, se obtienen porcentajes de
Carbono altos para las temperaturas a las que se realizó el tratamiento, utilizando cementantes no convencionales como el Metanol y el lsopropanol.
ENSAYO DE DIFRACCIÓN DE RAYOS X Los ensayos de difracción de rayos X, se realizaron con un difractómetro Brueler. La nitrocarburación austenítica realizada con alcoholes y nitrurantes líquidos, permite obtener una capa superficial de carbonitruros e y'(, fases que se buscaban al realizar el proceso como lo muestra la Figura 8. En el acero
Tabla 4. Dureza inicial y dureza superficial después del tratamiento realizado con urea, incremento porcentual de la dureza para los aceros considerados.
Acero 1 Dureza Inicial Dureza superficial 1 Dureza a 20 micras � 1020 345 856 660 248% 19 1%
8620 322 838 650 260% 202%
Valores de dureza HK carga 10 gr.
Tabla 5. Dureza inicial y dureza superficial después del tratamiento realizado con trietanolamina, incremento porcentual de la dureza para los aceros considerados.
Acero Dureza inicial 1 Dureza superficial 1 Dureza a 20 micras � 1020 345 770 675 223 196
8620 322 910 855 283 266
Valores de dureza H K carga 10 gr.
Tabla 6. Composición química luego de la nitrocarburización con Trietanolamina a 700ºC 4 hOras, templado y revenido a 350°C 1 hora en el acero AISI 1020.
Acero 1 c Cr 1 NI 1 Mo Mn 1 V 1 Co 1 w 1 p s
1020 T* 1,13 0,1 0.1 o 0,7 o o o 0.02 0,02
1020 T,R** 0.85 0,1 0,1 o 0,7 o 0.02 o 0,02 0,06
*Templado,** Templado y revenido.
Tabla 7. Composición química luego de la nitrocarburización con urea a 700ºC 4 horas.
templado y revenido a 350 ºC 1 hora en el acero AISI 8620.
Acero 1 c Cr Ni 1 Mo 1 M n 1 V 1 Co w p 1 s 8620 T* 0,99 0,5 0.4 0.2 0,8 o o o 0,02 0,02
8620 T,R** 0,74 0,5 0,5 0.2 0,9 o 0.03 o 0,02 0,03
Templado, ** Templado y Revenido
1 Si
0,1 0.1
SI
0,2 0.2
AVANCES Investigación en Ingeniería. 2007 No. 7 63
Figura. B. EnsaYo de difracción de Rayos X en el acero AJSI 1020 nitrocarburizado con Tnetanolam1na
a 700 °C durante 4 horas. templado y revenido 1 hOra a 350 'C. cuya micrograña aparece en la parte
superior.
so '
45
40
20
© © G>
0 © 0'· G> ©»
: �v,..,�1� /i../w�,,¡if_t �vr1t\'tt'l1•1-1rtt""°" lO 10 40 50 60 70 SO
2-lheta 90 100 110 llfl
AISI 1020 se forman menos fases que en el acero AISI 8620. debido a la presencia de elementos aleantes en
el acero 8620. lo cual confirma que existe innuencia de estos elementos en el resultado del proceso.
CORROSIÓN
Los ensayos de corr osión se realizaron en la cámara salina. Este procedimiento consiste en generar una
niebla que actúa sobre las probetas tratadas, esta niebla se forma cuando se vaporiza una solución salina de cloruro de sodio al 5% y mantenemos un promedio de condensado de 2 mi/ hora de exposición. Según la norma, las probetas deben estar inclinadas entre 45 y 60 grados.
Con el fin de tener un parámetro de comparación con otros estudios realizados, se colocaron probetas
y se midió su pérdida de masa en una balanza de torsión con una precisión de centésima de gramo.
Los resultados se encuentran representados en la Figura 9.
64 AVANCES lnvestlgacoón en Ingeniería· 2007 No. 7
Se observa cómo en los aceros tratados se obtuvo una resistencia mayor a la corrosión ocasionada por la presencia de una capa de carbonitruros e que brinda
buenas propiedades de resistencia a la corrosión, como lo indican las referencias bibliográficas.
METALOGRAFÍA
Los ensayos metalográficos se realizaron en el analizador de imágenes.
En la Figura 10 se observan las estructuras formadas por el tratamiento realizado con Urea. atacado con Nital al 5%. es notoria la capa de martensita que soporta la capa de carbon1truros. mucho más clara
Figura 9. Pérdida de masa por corrost6n en el acero AISI SAE 1020Y 8620 nitrocarburizado
con Urea y Tnetanolam1na. 700°C 4 horas.
templado y revenido 1 hora a 350"C.
0.12 !J 0, 10
lo.os � 0.06 � 0,04
0.02
Ensayo de C-On'oslón Aeero 1020 en Cimara Salin1
•
•
o.oo�-----o 50 100 200 Tiempo, Hr
§ Tratamletito t. Trle!anolamina o U�
Ensayo de Desgaste en ti Acoro
8620 en Camara Sallna 0.14 ,--------- -----0.12
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o 50 100 150 200 Tlempo Horas
I • Sin Tratamiento • Trletanolamina ourea I
Figura 10. Acero 1020 nitrocarburizado con Urea a
700 "C. templado y revenido 1 hora a 350 "C. ataque con Nital. X800.
en et acero 1020 que en el 8620 debido, como se mencionó anteriormente. a la presencia de elementos ateantes en el acero 8620.
CONCLUSIONES
Es posible realizar el tratamiento de nitrocarburación
austenítica empleando nitrurantes como la Urea y la
Trietanolamina. diluidos en Metano! e lsopropanol.
Se encontraron condiciones de tiempo, temperatura
y composición de las mezclas que permiten obtener
buenos resultados a menor costo. La nitrocarburación austenítica realizada con Urea
y Trietanolamina es una alternativa, en lugar de utilizar amoníaco. debido a su menor costo. pues los
componentes y los equipos utilizados así lo permiten.
Los dos aceros empleados presentan luego de ta nltrocarburaclón austenítica. incrementos Importantes de ta dureza superficial como resultado de tos cambios
BIBLIOGRAFÍA
Figura 11. Acero 8620 nitrocarburizado con Urea a 700 "C, templado y revenido 1 hora a 350 °C.
ataque con Nital. X800.
químicos y microestructurales que se presentan. La nitrocarburación austenit1ca de los aceros 1020 y 8620 con nitrurantes líquidos diluidos en alcoholes a 700ºC durante 4 horas, con una etapa previa de oxidación durante 1horaa 400ºC: y luego un revenido a 350ºC durante una hora, permiten obtener una capa superficial formada por dos estructuras, una exterior de aproximadamente 7 micras de espesor constituida por nitrocarburo e y soportada por una capa de martensita revenida de aproximadamente 100 micras de profundidad. El tratamiento mejora las propiedades de resistencia al desgaste en los aceros tratados en un 65% en promedíO para el acero 1020 y 52% para el acero 8620, frente a estos m15mos aceros
sin tratar. El tratamiento térmico de revenido afecta tas características de dureza y composición química
de la capa obtenida.
La presente investigación permite adaptar al medio
una nueva tecnología para los procesos termoquímicos que pretenden modificar la superficie de aceros.
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