Este trabajo estudia las diferencias microestructurales y tribológicas de las capas formadas durante la nitrocarburación ferrítica del acero aleado AISI 4340 y la nitrocarburación austenítica del acero inoxidable estabilizado AISI 347. Las muestras se sometieron a distintos tiempos de inmersión en un baño de nitrocarburación (60, 75, 90, 105 y 120 min) a 580 ºC. Posteriormente se sometieron a un proceso de oxidación a 480 ºC para formar una capa de Fe3O4. Los estudios de la microestructura de la capa nitrocarburada se realizaron por microscopía electrónica de barrido (SEM), espectroscopía de dispersión de energías (EDS) y difracción de rayos X (XRD). Se estudió el desgaste y el coeficiente de fricción de las muestras nitrocarburadas y las muestras no tratadas mediante el ensayo pink-on disk. Los resultados muestran tres zonas bien diferenciadas en el acero AISI 4340: una capa de óxidos externa, una capa blanca o de combinación y zona de difusión. Sin embargo, no se detectó la presencia de la capa de combinación en el acero AISI 347. En ambos aceros, el coeficiente específico de desgaste (k) de las muestras nitrocarburadas fue aproximadamente treinta veces menor que el de las muestras de referencia.
La nitrocarburación en baño de sales Tenifer-QPQ® se ha utilizado por una gran variedad de industrias durante las últimas décadas para mejorar la resistencia al desgaste, corrosión y fatiga de piezas de acero y fundición. El tratamiento se realiza a temperaturas comprendidas entre 480 y 620 °C en atmósfera oxidante con inmersión de la pieza en un baño de sales fundidas cuyo componente activo son cianatos alcalinos. Las reacciones que tienen lugar son:
Oxidación de cianuros:
Descomposición del cianato:
Se forma así nitrógeno atómico que se introduce en el metal por difusión. Mientras, el monóxido de carbono se disocia sobre la superficie del acero a través de la reacción:
generando carbono que también se difunde al interior del acero.
Además este proceso incluye dos etapas de oxidación que tienen como objeto la creación de una capa de magnetita (Fe3O4) la cual aumenta la resistencia a la corrosión y al desgaste, aunque todavía no se conoce el mecanismo por el cual esto sucede (Marušić
En los aceros al carbono (AISI 10xx) y los aceros aleados Cr-Ni-Mo (AISI 4xxx) la nitrocarburación ferrítica (FNC) se suele realizar a temperaturas entre 500 y 590 °C, mientras que la nitrocarburación austenítica (ACN) se lleva a cabo entre 590 ºC y 700 °C (Fattah y Mahboubi,
La existencia de austenita a temperaturas mucho más bajas en los aceros inoxidables austeníticos que los aceros AISI 1xxx y AISI 4xxx posibilita la realización del proceso de nitrocarburación austenítica a las mismas temperaturas que la nitrocarburación ferrítica (Li
El presente trabajo tiene como objetivo establecer las diferencias más significativas de comportamiento frente al desgaste y su relación con las características mecánicas y microestructurales de los aceros AISI 4340 y AISI 347 nitrocarburados en baño de sales. El primero de ellos es un acero de baja aleación que, normalmente, se le suele emplear en nitrocarburación ferrítica, y el segundo se trata de un acero inoxidable austenítico con altos contenidos de cromo y níquel y la presencia de niobio como elemento estabilizante frente al fenómeno de sensibilización. Por último, este trabajo trata de profundizar en el conocimiento del proceso nitrocarburación en baño de sales de aceros inoxidables estabilizados sobre los que apenas se han realizados estudios.
La primera etapa del proceso Tenifer-QPQ® consistió en un precalentamiento en aire a 420 °C de 20 a 40 min. En la segunda etapa las piezas se introdujeron en un baño que contenía una mezcla de cianuros y carbonatos alcalinos a 580 °C creándose, de esta manera, la capa nitrocarburada. Los tiempos de nitrocarburación empleados fueron 60, 75, 90, 105 y 120 min. En la siguiente, las probetas se metieron en un baño de nitritos y nitratos a 420 °C durante 15 min en el que se produce la oxidación superficial del acero que origina Fe3O4. En la cuarta etapa se realiza el pulido de las muestras a temperatura ambiente con chorreado de perlas de vidrio de 40–70 µm de diámetro a 3 bares de presión. En la última etapa se realiza un nuevo tratamiento de oxidación a 420 °C durante 25 min.
Para este estudio se emplearon el acero AISI 4340 (0,29%C, 0,31%Si, 0,75%Mn, 2,12%Cr, 0,42%Mo, 1,99%Ni, <0,025%P, <0,035%S, resto Fe) templado en aceite desde 800 ºC y revenido a 600 ºC durante 2 h, y el acero inoxidable AISI 347 (0,05%C, 0,53%Si, 1,53%Mn, 17,41%Cr, 9,28%Ni, 0,42%Nb, 0,02%P, <0,009%S, resto Fe). Las composiciones se determinaron mediante un espectrómetro de chispa, modelo Spectromax LMF04 de Spectro. Tanto las muestras del acero AISI 4340 como las del AISI 347 se identificaron en función del tiempo de nitrocarburación: A-60, A-75, A-90, A-105 y A-120 para las muestras de acero AISI 4340 y S-60, S-75, S-90, S-105 y S-120 en el caso del acero AISI 347. La cifra indica el número de minutos en el baño de nitrocarburación.
Las secciones transversales de las capas nitrocarburadas se analizaron mediante microscopía óptica con un banco metalográfico Leica MEF4A y microscopía electrónica de barrido (SEM) con un equipo Hitachi S4800 equipado con un espectrómetro de energías dispersivas (EDS) Bruker Quantax 400. Se determinó la estequiometría de los compuestos de la capa blanca y capa de óxidos superficiales mediante difracción de RX con un difractómetro Siemens D5000 que utilizó la radiación Kα del cobre. Para ello, se prepararon y analizaron las muestras indicadas con las siguientes condiciones: paso de 0,050º, tiempo por paso 5 segundos y potencia 30 mA y 40 KV.
La evolución de las microdurezas con la profundidad en el acero AISI 4340 se determinó con un microdurómetro Shimadzu que empleó un indentador de diamante con geometría Vickers. En el caso del acero AISI 347, las medidas de microdureza se han realizado mediante un nanoindentador NanoTest 600 de MicroMaterials Ltd debido al pequeño espesor de la capa de nitrocarburación obtenido, especialmente para un tiempo de permanencia de 60 min. Esta técnica permite hacer huellas de pequeño tamaño sin necesidad de realizar una inspección visual de las mismas. Sin embargo, hay que decir que, dadas las bajas cargas aplicadas en la nanoindentación (30 mN en el presente trabajo), existe una mayor dispersión de valores ya que son más sensibles a la presencia de heterogeneidades de la muestra. En el caso del acero AISI 4340 se realizó un barrido en cada muestra con 8 huellas, mientras que en el acero AISI 347 se realizó un barrido en cada muestra con un promedio de 7 a 11 huellas en la capa de nitrocarburación, y de 5 huellas en el material base. Para la determinación de la resistencia al desgaste se empleó un tribómetro MicroTest modelo MT2/60/SCM. Las capas superficiales objeto de estudio fueron sometidas a contacto deslizante mediante una configuración pin-on-disk, donde la contraparte estática (pin) se corresponde con una bola de alúmina (1500-1600 HV) con una carga normal de 10 N en la determinación de la resistencia al desgaste con objeto de aumentar las características abrasivas del ensayo, y acero de calidad AISI 52100 (600-800 HV) con una carga normal de 1 N en la determinación del coeficiente de fricción. La temperatura de ensayo fue 25 ºC y la distancia recorrida 250 m. Hay que señalar que cada uno de estos ensayos se ha realizado tres veces con cada contraparte estática para asegurar la reproducibilidad de los resultados obtenidos. El volumen desgastado (∆V) se ha calculado mediante perfilometría de contacto, y los valores de fuerza normal aplicada en el contacto y distancia de deslizamiento son 10 N y 500 m respectivamente.
Como se puede ver en la
Espesores de las capas de óxidos y nitrocarburación de los aceros AISI 4340 y AISI 347 tras el tratamiento Tenifer-QPQ®
Muestra | Espesor (±0,5 μm) | |
---|---|---|
Capa de óxidos | Capa de nitrocarburación | |
A-60 | 2,4 | 137,0 |
A-75 | 1,9 | 152,2 |
A-90 | 4,5 | 171,8 |
A-105 | 3,5 | 175,0 |
A-120 | 4,7 | 186,6 |
S-60 | 1,2 | 29,5 |
S-75 | 1,6 | 31,6 |
S-90 | 1,8 | 33,7 |
S-105 | 2,5 | 42,1 |
S-120 | 2,7 | 50,5 |
La microestructura obtenida en todas las muestras del acero AISI 4340 nitrocarburado (
Imágenes SEM de las capas formadas durante la nitrocarburación de las muestra A-60 (a), A-60 a mayores aumentos (b), A-120 (c), A-120 a mayores aumentos (d), S-120 (e), sección transversal de la muestra S-60 junto con los puntos de análisis EDS (f), e imagen de la huella de desgaste en la muestra S-60 junto con los puntos de análisis EDS (g).
Los análisis realizados mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) y espectrometría de energías dispersivas (EDS) en las probetas nitrocarburadas durante 60 min de AISI 4340 (
Análisis EDS en el que se muestra la variación con la profundidad de hierro, oxígeno y nitrógeno en la muestra A-60 (a) y cromo, hierro, oxígeno y nitrógeno en la muestra S-60 (b).
Los análisis mediante microscopía electrónica de barrido EDS del acero AISI 347 nitrocarburado durante 60 min (
Análisis de la composición química por EDS de tres regiones identificadas como Espectro 1, 2 y 3 de la
Espectro | C | N | O | Si | Cr | Mn | Fe | Ni | Nb |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Espectro 1 | 0,90 | 5,79 | 2,73 | 0,63 | 16,79 | 1,56 | 63,03 | 8,39 | 0,58 |
Espectro 2 | – | 6,97 | 3,96 | 0,50 | 20,36 | 1,88 | 58,70 | 7,34 | 0,29 |
Espectro 3 | 2,11 | – | 2,04 | 0,55 | 17,67 | 1,70 | 66,83 | 8,93 | 0,12 |
Los análisis de difracción de rayos X de la superficie de las muestras nitrocarburadas del acero AISI 4340 (
Análisis de difracción de rayos X (XRD) de la superficie de las muestras A-60 (a) y S-60 (b). Símbolos: (M) magnetita; (E) nitruro de hierro ε (Fe2-3N); (G): nitruro de hierro γ´ (Fe4N); (NC) nitrato de cromo (Cr2N); CC carburo de cromo (Cr23C6).
En cuanto a las fases detectadas en la superficie de las muestras nitrocarburadas del acero AISI 347 (
En la
Variación de la dureza Vickers con la profundidad en las muestras nitrocarburadas del acero AISI 4340 (a) y del acero AISI 347 (b).
En el acero AISI 347 se encontró una dispersión de valores de dureza considerable (
En la
Coeficiente de desgaste (k) y volumen desgastado obtenidos en los ensayos pin-on-disk sobre los aceros AISI 4340 y AISI 347.
Muestra | Coeficiente de desgaste (k) (mm3·N-1·m-1) | Volumen desgastado (mm3) |
---|---|---|
AISI4340 base | 4,41·10-4 | 2,20 |
A-60 | 1,84·10-5 | 0,09 |
A-75 | 2,03·10-5 | 0,10 |
A-90 | 1,86·10-5 | 0,09 |
A-105 | 1,95·10-5 | 0,09 |
A-120 | 1,75·10-5 | 0,08 |
AISI 347 base | 5,44·10-4 | 1,34 |
S-60 | 8,91·10-6 | 0,02 |
S-75 | 1,12·10-5 | 0,03 |
S-90 | 1,08·10-5 | 0,03 |
S-105 | 1,25·10-5 | 0,03 |
S-120 | 1,22·10-5 | 0,03 |
k = ∆V/FNL
siendo k el coeficiente específico de desgaste (mm3·N-1·m-1), ∆V la pérdida de volumen de la probeta (mm3), FN la fuerza normal aplicada en el contacto (N) y L la distancia de deslizamiento durante el ensayo (m). Se observa que k es mucho menor en las piezas tratadas mediante el proceso Tenifer-QPQ® que en las no nitrocarburadas debido al aumento de dureza superficial. En el acero AISI 347 se observa que k es del orden de 20 veces menor en las probetas nitrocarburadas. Dentro de ellas se han alcanzado valores muy semejantes, si bien parece existir una cierta tendencia a aumentar ligeramente el desgaste con el tiempo de tratamiento. En todos los casos, el desgaste ha dado lugar a surcos con una profundidad de aproximadamente 5–6 µm en las probetas tratadas, es decir, que en todos los casos se está ensayando la capa nitrocarburada dado que el óxido es del orden de 2 µm.
En la
Análisis de la composición química de dos regiones de apariencia superficial diferente dentro de la huella de desgaste (Espectros 1 y 2) y fuera de ésta (Espectro 3), de la probeta S-60 (% peso) (ver
Espectro | C | O | Si | Cr | Mn | Fe | Ni | Nb |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Espectro 1 | 1,26 | 31,37 | 0,22 | 2,90 | 0,00 | 63,90 | 0,34 | 0,00 |
Espectro 2 | 1,83 | 30,21 | 0,29 | 10,68 | 0,32 | 51,63 | 4,90 | 0,10 |
Espectro 3 | 3,77 | 29,11 | 0,60 | 13,11 | 0,58 | 43,44 | 9,24 | 0,15 |
Evolución del coeficiente de fricción con la distancia de deslizamiento en el ensayo pin-on-disk para las muestras de acero AISI 4340 (a) y acero AISI 347 (b).
A partir de los resultados obtenidos, la rotura de la capa de óxidos superficiales (Fe3O4) durante el ensayo de desgaste parece indicar que la presencia de esta capa de oxidación no presenta ventajas adicionales en cuanto a la resistencia al desgaste con respecto al tratamiento de nitrocarburación sin etapa de post-oxidación.
La principal diferencia microestructural de la capa de nitrocarburación del acero AISI 347 con respecto al AISI 4340 es la no presencia de capa de combinación y la existencia de fases γ´- Fe4N y Cr2N y Cr23C6 en el primero de ellos. Este último compuesto indica cierta sensibilización a la corrosión intergranular del acero inoxidable. Sin embargo, el aumento del coeficiente específico de desgaste con respecto (k) con respecto al material de base es similar en ambos casos, adquiriendo valores muy parecidos entre las muestras de cada material con el tiempo de tratamiento, por lo que, con objeto de reducir costes, se aconseja realizar la nitrocarburación de estos aceros por el proceso Tenifer-QPQ® durante 60 min. Por último, indicar que el tratamiento de post-oxidación no presenta ventajas adicionales en cuanto a la resistencia al desgaste.