Base de la nitruración
La nitruración es un proceso de tratamiento térmico que difunde nitrógeno en la superficie de un metal para crear una superficie cementada. El nitrógeno agregado aumenta la dureza y la resistencia al desgaste sin afectar significativamente las propiedades metalúrgicas del núcleo. Durante la nitruración, el metal se calienta a 500-550°C en una atmósfera rica en nitrógeno. El nitrógeno se difunde en la superficie hasta una profundidad de 0.5 mm y reacciona con elementos de aleación como el aluminio, el vanadio y el cromo para formar nitruros duros. Estos nitruros aumentan la dureza de la superficie hasta 1300 HV, mejorando la resistencia al desgaste y la corrosión.
Propósitos de la nitruración
La nitruración se utiliza para mejorar las propiedades superficiales de los metales para varios propósitos clave:
Aumentar la dureza de la superficie
El propósito principal de la nitruración es aumentar la dureza superficial de los metales. El nitrógeno añadido reacciona con los elementos de aleación para formar compuestos de nitruro duros. Esta capa de difusión aumenta la dureza hasta 1300 HV, lo que mejora la resistencia al desgaste y la capacidad de carga.
Mejorar la resistencia a la fatiga
La profundidad de la caja endurecida creada por la nitruración mejora la resistencia a la fatiga de componentes como engranajes y ejes. Las tensiones de compresión formadas en la caja nitrurada aumentan la resistencia a la iniciación y propagación de grietas.
Mejorar la resistencia a la corrosión
La nitruración mejora la resistencia a la corrosión de dos maneras. Primero, los compuestos de nitruro son muy estables e inertes. En segundo lugar, la profundidad de la capa creada por la nitruración garantiza que el material del núcleo no se vea afectado si la capa superficial se desgasta.
Distorsión mínima
A diferencia de los métodos de templado, la nitruración no requiere un enfriamiento rápido de la pieza. Como resultado, la nitruración provoca muy poca distorsión o tensión residual, lo que la hace adecuada para componentes de alta precisión. Los cambios dimensionales causados por la nitruración son despreciables.
Tipos de nitruración
Hay varios métodos principales y variaciones del proceso de nitruración que se utilizan en la industria:
- Nitruración de gas– En la nitruración gaseosa, la fuente de nitrógeno proviene del gas amoníaco disociado en nitrógeno e hidrógeno. El gas amoníaco es menos costoso que el gas nitrógeno puro. Los componentes se calientan a 500-590 °C en una retorta sellada con flujo de amoníaco controlado.
- Nitruración por plasma- La nitruración por plasma utiliza descargas de plasma generadas por una fuente de alimentación de alto voltaje para crear iones de nitrógeno activado. Esto permite una difusión más rápida a temperaturas más bajas de 350-590°C. La nitruración por plasma ofrece un control preciso sobre la profundidad de la caja.
- Nitruración en Baño de Sal- En la nitruración en baño de sal, la fuente de nitrógeno proviene de la disociación de sales de cianuro como el NaCN. Las piezas se sumergen en el baño de sal de cianuro fundido mantenido a 580-590°C. La nitruración en baño de sal puede lograr una dureza superficial muy alta de hasta 1500 HV.
- Nitruración en lecho fluidizado- La nitruración en lecho fluidizado implica la disociación del gas amoníaco en un lecho de polvo de alúmina fluidizado por el flujo de gas. Este método proporciona una excelente uniformidad de temperatura durante el tratamiento.
- Otras variaciones- Otras variaciones incluyen la nitrocarburación, que agrega carbono para formar carbonitruros, la posoxidación para formar capas de óxido negro y la nitruración a baja temperatura entre 350 y 380 °C. También se utilizan procesos híbridos como la nitrocarburación por plasma.
Materiales aptos para la nitruración
La nitruración se puede aplicar a una variedad de aleaciones ferrosas y no ferrosas:
Aceros de bajo carbono
Los aceros de baja aleación con menos de 0.25 % de carbono se suelen nitrurar para aumentar la dureza de la superficie y la resistencia al desgaste. El bajo contenido de carbono reduce la formación de nitruros de hierro inestables. Los ejemplos populares incluyen aceros 1018, 4140 y 4340.
Aceros para herramientas
Los aceros para herramientas, incluidos H13, P20 y D2, son ideales para la nitruración debido a su alta templabilidad y contenido de aleación. La nitruración aumenta la dureza, la resistencia y la vida útil de las herramientas para aplicaciones de trabajo en frío o en caliente.
Aceros inoxidables
Los aceros inoxidables martensíticos y de endurecimiento por precipitación como 410, 416, 420 y 17-4PH se pueden nitrurar de manera efectiva para mejorar la resistencia al desgaste y la corrosión. Se puede lograr una dureza superficial de 1000-1400 HV.
Aleaciones de aluminio
Ciertas aleaciones de aluminio que contienen silicio y magnesio se pueden nitrurar a través de un proceso llamado nitrocarburación. Esto difunde nitrógeno y carbono simultáneamente en la aleación.
Aleaciones de titanio
Las aleaciones de titanio, incluido el Ti-6Al-4V, se pueden nitrurar mediante métodos de plasma. Esto crea una capa superficial protectora de alta dureza sin afectar la ductilidad del núcleo y la tenacidad a la fractura.
Otras aleaciones
También se pueden nitrurar otros materiales como superaleaciones a base de níquel, aceros para herramientas y aleaciones de cobalto. Pueden beneficiarse tanto las aleaciones ferrosas como las no ferrosas con suficientes adiciones de aleación para estabilizar los nitruros.
Equipos y Consumibles para Nitruración
Los procesos de nitruración utilizan hornos especializados, suministros de gas y equipos de control de temperatura:
- Hornos de nitruración
- Hornos estilo caja o gabinete con retortas herméticas al gas y aislamiento para nitruración de gas y plasma hasta 1000 °F (590 °C).
- Hornos de baño de sal fundida para nitruración en baño de sal alrededor de 1100 °F (590 °C).
- Hornos de lecho fluidizado que contienen medios cerámicos porosos para nitruración en lecho fluidizado.
- Gas nitrógeno
- Gas nitrógeno de alta pureza como fuente para la nitruración de gas.
- Gas amoníaco que se disocia en nitrógeno e hidrógeno para la nitruración de gas.
- Fuentes de alimentación
- Fuentes de alimentación de CC de hasta 1000 V y clasificación de corriente de más de 10,000 XNUMX amperios para nitruración por plasma.
- Monitoreo de temperatura
- Termopares para monitorear la uniformidad de la temperatura del horno.
- Pirómetros para medir la temperatura superficial de los componentes.
- Consumibles
- Sales de cianuro para nitruración en baño de sal.
- Polvo de alúmina para nitruración en lecho fluidizado.
- Aceite de enfriamiento, soluciones de limpieza, herramientas, accesorios, etc.
El equipo adecuado es esencial para controlar la atmósfera, la temperatura y la duración de la nitruración para lograr propiedades y profundidades de capa repetibles.
Proceso de nitruración
Los pasos clave en un proceso típico de nitruración son:
- Limpieza
- Elimine la suciedad, el aceite, la grasa, los óxidos y otros contaminantes de la superficie del componente mediante desengrasado, limpieza alcalina o decapado con ácido.
- carga
- Cargue los componentes con cuidado en accesorios o cestas para evitar la contaminación y garantizar una exposición adecuada.
- Calentamiento y Mantenimiento
- Calentar a una velocidad de 400-800 °F/hr (220-440 °C/hr) para alcanzar la temperatura de nitruración.
- Mantener a la temperatura de nitruración para permitir que las piezas de trabajo alcancen el equilibrio térmico.
- Nitruración
- Exponga las piezas de trabajo a un entorno rico en nitrógeno a la temperatura de nitruración durante el tiempo necesario para lograr la profundidad de la carcasa.
- El gas amoníaco se descompone en nitrógeno e hidrógeno. El plasma genera iones de nitrógeno. Las sales de cianuro liberan nitrógeno.
- Temple
- Enfriamiento rápido como en aceite para preservar la estructura nitrurada. No se requiere para algunos procesos.
- Descarga y Limpieza
- Descargue las piezas de trabajo y elimine los residuos del aceite de temple o las sales mediante lavado.
- Aplique un tratamiento posterior como esmerilado o pulido.
Se necesita un control cuidadoso del proceso para obtener la profundidad de caja deseada, minimizar la distorsión y asegurar la formación de la fase de nitruro.
Aplicaciones industriales de la nitruración
Algunos usos industriales comunes de la nitruración en componentes mecánicos incluyen:
Engranajes
Los engranajes de acero aleado nitrurado tienen una mayor dureza superficial y resistencia a la fatiga. Se utiliza en engranajes de transmisión, engranajes de leva, engranajes anulares, etc.
Rodamientos
La nitruración de las pistas de los cojinetes, los elementos rodantes y las superficies de los cojinetes mejora la resistencia al desgaste y la durabilidad bajo cargas cíclicas.
cigüeñales
La nitruración aumenta la resistencia a la fatiga de los filetes y muñones del cigüeñal. Utilizado en motores automotrices y marinos.
Pistons
Los pistones de aluminio fundido nitrurado aumentan la resistencia a las rozaduras y al desgaste adhesivo contra las paredes del cilindro.
Valvulas
Desgaste mejorado en válvulas de admisión y escape de motores de combustión interna con caras y vástagos de válvula nitrurados.
Herramientas de corte
Las herramientas de corte de carburo y acero de alta velocidad recubiertas tratadas con nitruración tienen mejores índices de remoción de metal y vida útil.
Troqueles y Moldes
Los moldes y troqueles de acero para herramientas nitrurado para fundición, forjado y estampado muestran una mayor durabilidad y rendimiento.
Otros usos
Común en recipientes a presión, ejes, cilindros, levas, sujetadores, actuadores y componentes de potencia de fluidos.
El aumento de la dureza de la superficie, la resistencia al desgaste, la resistencia a la fatiga y la resistencia a la corrosión hacen que la nitruración sea ideal para piezas mecánicas críticas.
Nitruración en Joyería y Accesorios
Si bien es menos común que los usos industriales, la nitruración tiene algunas aplicaciones de nicho en joyería y accesorios de moda:
Acabado de superficie mejorado
La nitruración puede proporcionar un acabado de superficie suave y uniforme en componentes metálicos de joyería como anillos, pulseras y cajas de relojes. Esto reduce la necesidad de un pulido secundario.
Resistencia a la corrosión mejorada
La capa de nitruración mejora la resistencia a la corrosión de las piezas de joyería expuestas a la humedad, como anillos, pulseras, cadenas y correas de reloj de metal.
Recubrimientos negros decorativos
El ennegrecimiento selectivo de las superficies grabadas mediante la nitruración del acero inoxidable o el titanio puede proporcionar patrones decorativos y acentos en las joyas.
Superficies endurecidas
Mayor resistencia al desgaste para artículos de joyería de alto uso, como anillos para hombres y correas de reloj de metal, mediante el endurecimiento de la superficie.
Ahorro en Costos
En ciertos metales, la nitruración puede proporcionar beneficios de rendimiento sobre los recubrimientos de PVD o de enchapado a un costo más bajo.
Percepción del cliente
Algunas marcas de lujo utilizan la nitruración por los beneficios percibidos de la tecnología y el acabado superficial.
Si bien no es tan frecuente como en las industrias manufactureras, la nitruración puede proporcionar ventajas funcionales y estéticas para aplicaciones de joyería selectas. Se necesita un control adecuado para mantener la apariencia de los metales de joyería.
Comparación con otros procesos de endurecimiento de superficies
La nitruración se diferencia de otros procesos comunes de endurecimiento superficial en varios aspectos:
Carburación
La carburación difunde carbono en lugar de nitrógeno en la superficie del acero. Crea una caja martensítica más dura pero menos estable. La nitruración proporciona una mejor resistencia a la corrosión.
Nitrocarburación
La nitrocarburación agrega nitrógeno y carbono simultáneamente. El estuche combinado de carbonitruro puede ofrecer ventajas sobre cualquiera de los dos solos.
Endurecimiento por induccion
El endurecimiento por inducción calienta y apaga rápidamente la superficie a través de la inducción electromagnética. La nitruración proporciona una profundidad de caja más profunda y menos distorsión.
Endurecimiento a la llama
Con el endurecimiento por llama, los sopletes de oxígeno y combustible calientan rápidamente la superficie antes de enfriar. La nitruración puede endurecer geometrías complejas con mayor eficacia.
Deposición de película dura
Las técnicas de deposición de películas duras como PVD, CVD y recubrimientos rociados térmicamente depositan una fina capa de cerámica en la superficie. La nitruración difunde nitrógeno en el propio sustrato de metal para una mejor adhesión y resistencia a la fatiga. Sin embargo, los recubrimientos pueden proporcionar beneficios adicionales como aislamiento o resistencia a altas temperaturas.
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