Nitruración

La nitruración es un proceso de tratamiento térmico que difunde nitrógeno en la superficie de un metal para crear una superficie endurecida. Estos procesos se utilizan con mayor frecuencia en aceros de baja aleación. También se utilizan en titanio, aluminio y molibdeno.

Entre las aplicaciones típicas se incluyen engranajes, cigüeñales, árboles de levas, seguidores de levas, piezas de válvulas, tornillos de extrusoras, herramientas de fundición a presión, matrices de forja, matrices de extrusión, componentes de armas de fuego, inyectores y herramientas de moldeo de plástico.

Los procesos reciben su nombre según el medio utilizado para la donación. Los tres métodos principales utilizados son: nitruración con gas, nitruración con baño de sal y nitruración con plasma.

En la nitruración gaseosa, el donante es un gas rico en nitrógeno, normalmente amoniaco (NH3), por lo que a veces se la conoce como nitruración por amoniaco. Cuando el amoniaco entra en contacto con la pieza de trabajo calentada, se disocia en nitrógeno e hidrógeno. El nitrógeno se difunde entonces sobre la superficie del material creando una capa de nitruro. Este proceso existe desde hace casi un siglo, aunque sólo en las últimas décadas ha habido un esfuerzo concentrado para investigar la termodinámica y la cinética involucradas. Los avances recientes han llevado a un proceso que se puede controlar con precisión. El espesor y la constitución de la fase de las capas de nitruración resultantes se pueden seleccionar y el proceso se puede optimizar para las propiedades particulares requeridas.

Las ventajas de la nitruración gaseosa frente a otras variantes son:

• Control preciso del potencial químico del nitrógeno en la atmósfera de nitrógeno controlando la velocidad de flujo de gas del nitrógeno y el oxígeno
• Todo efecto de nitramiento redondo (puede ser una desventaja en algunos casos, en comparación con el nitramiento de plasma)
• Grandes tamaños de lotes posibles – el factor limitante es el tamaño del horno y el flujo de gas
• Con el control moderno de la atmósfera los resultados de nitrición pueden ser controlados de cerca
• Costo de equipo relativamente bajo – especialmente en comparación con el plasma

Las desventajas de la nitruración gaseosa son:

• Los cinéticos de reacción fuertemente influenciados por la condición de la superficie – una superficie aceitosa o una contaminada con líquidos de corte dará resultados deficientes
• La activación de la superficie es a veces necesaria para tratar los aceros con un alto contenido de cromo – comparar el esputo durante el nitramiento de plasma
• Amoníaco como medio de nitrición – aunque no especialmente tóxico es dañino cuando se inhala a una alta concentración. Además, se debe cuidar cuando se calienta en presencia de oxígeno para reducir el riesgo de explosión

En la nitruración por baño de sal, el medio que aporta nitrógeno es una sal que contiene nitrógeno, como la sal de cianuro. Las sales utilizadas también aportan carbono a la superficie de la pieza de trabajo, lo que convierte al baño de sal en un proceso de nitrocarburación. La temperatura utilizada es la típica de todos los procesos de nitrocarburación: 550 a 570 °C. Lamentablemente, dado que las sales utilizadas son extremadamente tóxicas, las modernas normas medioambientales y de seguridad han hecho que este proceso caiga en desuso.

Las ventajas de la nitruración salina son:

• Tiempo de procesamiento rápido – Generalmente en el orden de 4 horas para lograr la difusión deseada, donde otros métodos tardan más.
• Fácil operación – El baño de sal y las piezas de trabajo se calientan a la temperatura deseada, y las piezas se sumergen por un período de tiempo determinado.

Las desventajas son:

• Las sales utilizadas son altamente tóxicas: el despojo está controlado por leyes ambientales estrictas en los países occidentales.
• Costo – Estas regulaciones han incrementado los costes involucrados en el uso de baños de sal.
• Sólo un proceso posible con un tipo particular de sal – ya que el potencial de nitrógeno está fijado por la sal, sólo un tipo de proceso es posible.

La nitruración por plasma, también conocida como nitruración iónica, nitruración iónica por plasma o nitruración por descarga luminiscente, es un tratamiento industrial de endurecimiento de superficies para materiales metálicos.

En la nitruración por plasma, la reactividad del medio nitrurante no se debe a la temperatura sino al estado ionizado del gas. En esta técnica se utilizan campos eléctricos intensos para generar moléculas ionizadas del gas alrededor de la superficie a nitrurar. Este gas altamente activo con moléculas ionizadas se denomina plasma, dando nombre a la técnica. El gas utilizado para la nitruración por plasma suele ser nitrógeno puro, ya que no se necesita descomposición espontánea (como es el caso de la nitruración con amoniaco). Existen plasmas calientes tipificados por chorros de plasma utilizados para corte de metales, soldadura, revestimiento o pulverización. También existen plasmas fríos, generados habitualmente en el interior de cámaras de vacío, a regímenes de baja presión.

Por lo general, los aceros se tratan de forma beneficiosa con nitruración por plasma. Este proceso permite un control minucioso de la microestructura nitrurada, lo que permite la nitruración con o sin formación de capas de compuesto. No solo se mejora el rendimiento de las piezas metálicas, sino que también aumenta la vida útil, el límite de deformación y la resistencia a la fatiga de los metales tratados. Por ejemplo, las propiedades mecánicas del acero inoxidable austenítico, como la resistencia al desgaste, se pueden aumentar significativamente y la dureza superficial de los aceros para herramientas se puede duplicar.

Una pieza nitrurada por plasma suele estar lista para su uso. No requiere mecanizado, pulido ni ninguna otra operación posterior a la nitruración. Por lo tanto, el proceso es fácil de usar, ahorra energía porque funciona más rápido y causa poca o ninguna distorsión.

Este proceso fue inventado por el alemán Bernhardt Berghaus, que más tarde se instaló en Zúrich para escapar de la persecución nazi. Después de su muerte a finales de los años 60, el proceso fue adquirido por el grupo Klockner y se popularizó a nivel mundial.

La nitruración por plasma suele combinarse con un proceso de deposición física de vapor (PVD) y un tratamiento dúplex etiquetado, con mayores beneficios. Muchos usuarios prefieren combinar un paso de oxidación por plasma en la última fase del procesamiento para producir una capa de óxidos de color negro azabache suave que sea resistente al desgaste y la corrosión.

Dado que los iones de nitrógeno se obtienen mediante ionización, a diferencia de los baños de gas o de sal, la eficiencia de la nitruración por plasma no depende de la temperatura. Por lo tanto, la nitruración por plasma se puede realizar en un amplio rango de temperaturas, desde 260 °C hasta más de 600 °C. Por ejemplo, a temperaturas moderadas (como 420 °C), los aceros inoxidables se pueden nitrurar sin la formación de precipitados de nitruro de cromo y, por lo tanto, manteniendo sus propiedades de resistencia a la corrosión.

En los procesos de nitruración por plasma, el gas nitrógeno (N2) es normalmente el gas portador del nitrógeno. También se utilizan otros gases como el hidrógeno o el argón. De hecho, el argón y el hidrógeno se pueden utilizar antes del proceso de nitruración durante el calentamiento de las piezas para limpiar las superficies que se van a nitrurar. Este procedimiento de limpieza elimina eficazmente la capa de óxido de las superficies y puede eliminar las capas finas de disolventes que puedan quedar. Esto también ayuda a la estabilidad térmica de la planta de plasma, ya que el calor añadido por el plasma ya está presente durante el calentamiento y, por tanto, una vez que se alcanza la temperatura del proceso, comienza la nitruración propiamente dicha con pequeños cambios de calentamiento. Para el proceso de nitruración también se añade gas hidrógeno para mantener la superficie libre de óxidos. Este efecto se puede observar analizando la superficie de la pieza que se está nitrurando (véase, por ejemplo).

Entre los aceros que se pueden nitrurar fácilmente se encuentran las series SAE 4100, 4300, 5100, 6100, 8600, 8700, 9300 y 9800, los aceros de calidad aeronáutica del Reino Unido BS 4S 106, BS 3S 132, 905M39 (EN41B), los aceros inoxidables, algunos aceros para herramientas (H13 y P20, por ejemplo) y ciertas fundiciones. Lo ideal es que los aceros para nitruración estén en estado templado y revenido, lo que requiere que la nitruración se realice a una temperatura inferior a la última temperatura de revenido. Lo mejor es un acabado superficial torneado o rectificado. Se deben eliminar cantidades mínimas de material después de la nitruración para preservar la dureza de la superficie.

Las aleaciones de nitruración son aceros aleados con elementos formadores de nitruro, como el aluminio, el cromo, el molibdeno y el titanio.

En 2015, se utilizó la nitruración para generar una microestructura dúplex única en una aleación de hierro y manganeso (martensita-austenita, austenita-ferrita), que se sabe que está asociada con propiedades mecánicas muy mejoradas.

En la década de 1920 se inició una investigación sistemática sobre el efecto del nitrógeno en las propiedades superficiales del acero. La investigación sobre la nitruración gaseosa comenzó de forma independiente tanto en Alemania como en Estados Unidos. El proceso fue recibido con entusiasmo en Alemania y se desarrollaron varios grados de acero con la nitruración en mente: los llamados aceros de nitruración. La recepción en Estados Unidos fue menos impresionante. Con tan poca demanda, el proceso fue prácticamente olvidado en Estados Unidos. Después de la Segunda Guerra Mundial, el proceso se reintrodujo desde Europa. En las últimas décadas se han llevado a cabo muchas investigaciones para comprender la termodinámica y la cinética de las reacciones involucradas.

• Boriding
• Carburización
• Carbonitrid
• Ferritic nitrocarburizing
• Acabados superficiales

• Chatterjee-Fischer, Ruth (1995). Wärmebehandlung von Eisenwerkstoffen: Nitrieren und Nitrocarburieren [Tratamiento de calor de materiales ferrosos: nitrificación y nitrocarburación] (en alemán) (2a edición). Expert-Verlag. ISBN 3-8169-1092-0.
• Chattopadhyay, Ramnarayan (2004). "Plasma Nitriding". Advanced Thermally Assisted Surface Engineering Processes. Berlín: Springer. pp. 90–94. ISBN 1-4020-7696-7.
• Pye, David (2003). Nitrición práctica y Nitrocarburación ferrítica. ASM International. ISBN 978-0871707918.

• "MIL-S-6090A, Especificación Militar: Proceso para los Aceros Usados en la Carburación y Nitrición de Aviones". Departamento de Defensa de los Estados Unidos. 7 Jun 1971. Archivado desde el original el 29 de agosto de 2019. Retrieved 20 de junio 2012.
• Una introducción a Nitriding Archived 2011-12-15 en la máquina Wayback