Estudio topográfico y microestructural de un acero de baja aleación nitrurado por plasma
D. A. Egidi(i), P. Corengia(i) , D. García Alonso-García(i), G. Ybarra(ii), C. Moina(ii) y A. Cabo(iii)
(i) INTI-Mecánica (ii) INTI-Procesos Superficiales
(iii) IO N A R S . A .
Introducción La nitruración iónica es un método termoquímico asistido por plasma ampliamente usado para incrementar la vida a fatiga, dureza y resistencia al desgaste de aceros de baja aleación, aceros para herramientas y aceros inoxidables [1,2]. Al nitrurar un acero de baja aleación se pueden identificar dos zonas en la superficie, llamadas capa blanca o de compuestos y zona de difusión. La primera, dependiendo de los parámetros de proceso puede estar ausente o estar compuesta de ambos o alguno de los nitruros Fe 4N–Fe2-3N. En la zona de difusión pueden ocurrir diversas reacciones debido a la difusión del N, tales como precipitación de nitruros, saturación α-Fe, cambios en las tensiones residuales y redistribución del carbono[2]. Çelik y col.[3] no observaron variaciones en los compuestos formados durante la nitruración iónica de un acero AISI 4140 según se incrementa el tiempo de tratamiento entre 1 y 10 h a diferentes temperaturas, siendo la fase presente en todos los casos (γ’-Fe4N), mientras que S. W. Kurny y col.[4], observaron la existencia en la capa blanca del acero, una transformación de nitruros ε-Fe2-3N en γ’-Fe4N según se incrementa el tiempo de tratamiento. Por todo lo dicho anteriormente es que es necesario realizar estudios que contribuyan al mejor entendimiento de la evolución de la capa de compuestos, según se empleen diferentes condiciones de procesos. Se estudió la evolución microestructural y las características mecánicas de la capa nitrurada como así también la evolución topográfica y la rugosidad.
Descripción Experimental La composición química del acero AISI 4140 empleado es la siguiente: (peso %): C, 0.41; P, 0.014; S, 0.011; Mn, 0.82; Cr, 0.90; Mo, 0.17; Si, 0.30; Ni, 0.04; Fe, balance. Una barra de acero fue templada desde 1113 K y revenida a 823 K durante 2 h, y finalmente enfriada en aire, resultando un material con una dureza final de 320 HV25g. Las muestras fueron maquinadas en discos de 45 mm de diámetro y 8 mm de espesor, luego fueron desbastadas hasta papel grado 600 y algunas de ellas fueron pulidas con alúmina 1 µm para el estudio topográfico. Las muestras fueron nitruradas en
un reactor de nitruración por plasma DC -pulsado; los parámetros de proceso usados fueron los siguientes: tiempo: 1, 2, 4, 15, 20 y 28 h; tensión: 750 V, pulso on/off: 70–200 µs; densidad de corriente: 1,03 mA.cm-2; presión: 60 Pa; temperatura 773 K; atmósfera: 75 % H2 - 25 % N2. Las microestructuras fueron reveladas usando el reactivo nital 3% siendo examinadas con un microscopio óptico (OM) Zeiss Axiotech y un microscopio electrónico de barrido (SEM) Philips SEM 505. La microdureza fue determinada con un microdurómetro Vickers (Akashi, MVK-H2) usando una carga de 25 g. El espesor de la capa de compuestos fue determinado por SEM, y la profundidad de la zona de difusión fue obtenida de los valores de microdureza. Las mediciones de difracción de rayos X fueron realizadas en un difractómetro Philips PW 1810 usando radiación Co Kα. Las mediciones AFM fueron llevadas a cabo en el centro y borde de las muestras con un microscopio de fuerza atómica UltraObjetive (Surface Imaging Systems GmbH) (AFM) en modo no contacto, usando cantilevers de Si (NanoProbes GmbH) de constante de fuerza de 48 N/m. El contenido de C y N en la sección de las muestras fue determinado por microanálisis (EPMA). El equipo empleado fue un instrumento Cameca SX100 equipado con cinco espectrómetros dispersivos en longitud de onda.
Resultados Como se observa de los perfiles de microdureza (ver Fig. 1), cuando se incrementa el tiemp o de proceso, la interfase capa/núcleo es menos pronunciada y el endurecimiento alcanza una mayor profundidad. La dureza en superficie alcanza un valor máximo para 2 h de tratamiento. En todas las probetas se observó una capa blanca continua y uniforme (ver Fig. 2), la cual no ha sido atacada por el reactivo metalográfico nital. Debajo de esta capa se observa la microestructura correspondiente a la zona de difusión, donde el N se encuentra en solución o formando nitruros de elementos de aleación. De la observación de las muestras nitruradas a diferentes tiempos se observa que el espesor de la capa nitrurada se incrementa según aumenta el tiempo de nitruración. En las primeras horas
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del proceso el espesor crece rápidamente disminuyendo esta velocidad para los tiempos mas prolongados. Este comportamiento tiene una considerable desviación respecto del crecimiento parabólico observado en la nitruración gaseosa[5].
900
nm con una máxima altura entre pico -valle de Hpv de 35 nm sobre el área medida de 25 µm2 (ver Fig.3). Las marcas originales han desaparecido y la superficie aparece cubierta con pequeñas microformaciones. La rugosidad media se incrementa a 111 nm con Hpv = 232 nm después de la nitruración durante 1 h.
800
Microdureza [HV25gr]
700
600
500
400
300
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Distancia desde la superficie [µm]
Figura 1. Perfiles de microdureza de muestras nitruradas por plasma DC -pulsado por ( ) 2 h, (o) 15 h y (x) 28 h a 773 K.
Figura 2. Micrografía SEM de un corte de una muestra de acero AISI 4140 nitrurado por plasma a 773 K durante 4 h.
Marciniak[6] propuso un modelo para explicar la
evolución del espesor de la capa blanca con el
tiempo. En nuestro caso, la cinética de
crecimiento para la capa de compuestos puede
ser explicada por la siguiente ecuación:
Th = at1/ 2 + bt + c
(1)
donde Th es el espesor de la capa de
compuestos en [µm], a es el coeficiente de crecimiento por difusión en [µm h-1/2], b es la velocidad de sputtering en [µm h-1], y c es el
espesor de capa de compuestos formado durante el ramp-up time en [µm] [7]. Si ajustamos
los valores experimentales con la ec. (1)
obtenemos que a = 2.278 µm h-1/2 y b = - 0.168 µm h-1. El
coeficiente de difusión efectivo de N determinado fue 3.18 10-12 m2 s-1, de acuerdo a los datos
experimentales.
Los difractogramas de las muestras indican para
tiempos de nitruración cortos la presencia de dos
nitruros, ε-Fe2-3N y γ’-Fe4N, mientras que para largos tiempos de nitruración (>15 h ) solo se
detecta la fase γ’.
El valor de rugosidad media de la superficie
determinado por AFM es de aproximadamente 14
Figura 3. Imagen AFM de la superficie de un acero AISI 4140 después de la nitruración a 773 K por 1 h.
Conclusiones Se encontró una relación entre el espesor de la capa nitrurada y la raíz cuadrada del tiempo de nitruración, como se esperaba para un proceso controlado por difusión. Se espera que las muestras tratadas a largos tiempos de nitruración (>15 h) presentarán una mejor ductilidad y resistencia a la fatiga, debido a que las mismas muestran una alta homogeneidad consistiendo solamente de una fase γ’-Fe4N. La dureza de superficie depende del tiempo de nitruración. Existe un incremento en las primeras dos horas, donde alcanza un máximo, y después disminuye debido al engrosamiento de los nitruros precipitados. La rugosidad media Ra y Hpv se incrementan con el tiempo de nitruración. La velocidad de incremento es mayor durante las primeras horas de nitruración, lo que podría estar relacionado a la intensidad relativa de sputtering y redeposición. El incremento del tiempo de nitruración produce un incremento de microformaciones produciendo grandes conos de menor densidad de superficie.
A la memoria del Ing. Mario O. Quinteiro y de Hugo Helguero, compañeros y amigos
Los autores quieren agradecer la colaboración recibida por Adolfo Rodrigo, Fernando Rodriguez y Fabian Alvarez de CACCNEA.
Referencias
[1] B. Edenhofer, Heat Treat. Met. 1 (1974) 23. [2] T. Bell and Y. Sun, Surf . Eng. 6 (2) (1990) 133. [3]A. Çelik and S. Karadeniz, Surf. Coat. Technol. 80 (1996) 283. [4]S. W. Kurny, M. Mallya and M. Mohan Rao, J. Mater. Sci. Eng. 78 (1986) 95. [5]K. Schwerdtfeger, P. Grieveson and E. T. Turkodogan, Trans. Aime 245 (1969) 2461. [6]A. Marciniak, Surf. Eng. 1 (4) (1985) 283. [7]E. Rollinski and G. Sharp, J. Mater. Eng. Perform. 10 (4) (2001) 444.
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Autor de contacto: Pablo A. Corencia corengia@inti.gov.ar
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