10. nitruración iónica asistida por plasma

Nitrocarburacin Inica asistida por plasma

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NITRURACION IONICA ASISTIDA POR PLASMA (PIN)PRINCIPIOS Y APLICACIONES (*)

Msc. Jess Ruiz SaavedraPontificia Universidad Catlica del Per

Las tcnicas convencionales de Nitruracion se hanusado para mejorar la resistencia al desgaste y au-mentar la resistencia a la fatiga con una mnima dis-torsin a lo largo de los ltimos 80 aos. La historia dela nitruracin inica es casi tan larga como esa histo-ria. Una revisin cronolgica indica:

Fecha Descripcin

1920 Conceptos de trabajo de calentamientopor descarga inica en gas inerte des-cubierto en Alemania.

Finales 20s/Inicio 30s Bernard Bergaus, Alemania demuestra

satisfactoriamente el proceso de iden-tificacin de los parmetros el proceso.

Post guerra Los avances en la electrnica y recono-cimiento superior de las propiedadesmetalrgicas posibles en nitruracininica causa que el proceso gane unaamplia popularidad en una variedad deaplicaciones de produccin en Alema-nia, Rusia, Japn y China.

Que es Nitruracion Inica por Plasma?

La nitruracin inica es un proceso usado para darendurecimiento superficial a metales en una ampliavariedad de aplicaciones. Como se infiere de su nom-bre, el proceso usa slo iones de nitrgeno o una com-binacin de este con otros gases para reaccionar conla superficie de trabajo. El nitrgeno ionizado tambinprovee las caractersticas de la "tpica" incandescen-cia prpura alrededor de las piezas que se estn tra-tando.Para conseguir el plasma, el proceso requiere:

l Un recipiente al vaco (para remover los gases con-taminantes como el aire),

l Una fuente de alto voltaje de corriente continua oDC (de por lo menos 800 - 1000 V, este voltaje es elnecesario para el producir la incandescencia),.

l Un sistema de distribucin de gas (para proveer lasproporciones de mezcla y el flujo necesario), y

l Un sistema de control de presin (para mantener lapresin de 1 a 100 torr, apropiada para manteneruna incandescencia dentro del rango del voltaje con-siderado).

(*) Artculo basado en el Informe de William Kovacks y William RussellIElatec Inc

Fig. 1.- Planta "Tpica" de tratamientopor Nitruracin inica

Avances en tratamientos trmicos

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En el sistema, el potencial D.C. es puesto entre lasplancha que contienen las piezas y el recipiente mis-mo. El plato central porta piezas es cargado al poten-cial negativo (ctodo) y el recipiente al potencial po-sitivo (nodo) Cuando se aplica el voltaje bajo condi-ciones de proceso la corriente fluir de modo similar aun gas convencional o "descarga incandescente(glow)" de los diodos de un vlvula (como el vapor demercurio en los tubos)). La figura 2.

La figura 4 muestra la distribucin visible glow entreel ctodo y el nodo. Si los equipos de nitruracininica tienen ventanas de observacin el efecto de lapresin puede verse en la "formas de la incandescen-cia" alrededor del ctodo.

Fig.2.- Incandescencia "prpura" debida alplasma de Nitrgeno

Si observamos la Fig. 3. podemos ver la bien conoci-da relacin entre el voltaje y la corriente para un pro-ceso tpico con mezcla de gases de nitrgeno y hasinerte (normalmente hidrgeno).

normal

Descarga Townsend anormal

arco

AMPERIO

VOLTIOS

Fig.3.- Voltaje vs. Amperaje en una mezcla gaseosa

La Nitruracin inica toma lugar cuando la corrientees levantada hacia la regin de incandescencia (glow)"anormal" mostrada en el grfico. En este rango, ladensidad de corriente es uniforme alrededor la a su-perficie entera del ctodo la cual es indicada por elcolor prpura uniforme de la incandescencia. Cual-quier incremento en la corriente dentro de la reginanormal, dar un incremento de la densidad de co-rriente sin afectar la uniformidad.

1.- Espacio oscura Aston 5.- Espacio Oscuro Faraday2.- Incandescencia catdica 6.- Incandescencia Andica3.- Zona oscura catdica 7.- Incandescencia andica4.- Incandescencia negativa 8.- Zona oscura andica

(a)

(b)

Fig. 4. Distribucion de la incandescencia pticaa varias presiones para una gases de una

tpica nitruracin inica.

Incrementando la presin en el rango de 0,5 torr (figu-ra 4 a) a 3 torr (figura 4 b) puede verse que el glow sehace mas pegado al ctodo. En la practica comer-cial de nitruracin inica, este fenmeno es tilpara nitrurar a travs de los agujeros en las piezasde trabajo (mas presin o glow seam) o salta so-bre los agujeros para prevenir su nitrurado (bajaspresiones).Para piezas de forma muy irregular, es posible tam-bin controlar la presin se manera que toda o soloalgunas de sus superficies, que pueden ser seleccio-nadas, sea nitrurada (sin embargo la selectividad eslimitada en que todas los aberturas, canal de chaveteroo agujeros, sobre un tamao seleccionado, por pre-sin de tratamiento, sern nitrurados. Todas los aber-turas por debajo del tamao seleccionado no sernnitrurados. La variacin de la presin en formas irre-gulares o piezas muy cercanas pueden poner la des-carga glow en una regin donde la cobertura incan-descente de superficies opuestas entren en traslape,


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atrapando iones para causar un bombardeo inico masfuerte y altas densidades de corriente locales al rea.Esto es llamado efecto "ctodo hollow" y resultar enun sobre calentamiento de la pieza.

Otra propiedad importante de la descarga es la llama-da accin "sputtering". Este proceso es usado paralimpiar la superficie de trabajo previo a la nitruracin.El Sputtering ocurre cuando se usa gas inerte como elArgn y el Hidrogeno. A bajas presiones (menos de 1torr) y a altos voltajes (preferible sobre los 700 V) losiones bombardean la superficie de abajo y resulta enla remocin de contaminantes superficiales.

Todo lo mencionado anteriormente sucede en des-carga elctrica en un gas a baja presin. La descargamisma es simplemente una corriente elctrica que pasaa travs del gas ionizado .Inicialmente, antes de laaplicacin de un voltaje entre el nodo y el ctodo lasmolculas de gas no ionizado presenta una alta im-pedancia elctrica al flujo de corriente. Cuando seincrementa el voltaje, las molculas en los dos elec-trodos (regiones del ctodo y del nodo) empiezan aser ionizadas y presentan un decrecimiento en la im-pedancia el flujo de corriente. Esta ionizacin tieneuna efecto cascada y es acumulativo. Eventualmente,suficientes partculas se han ionizado tanto como paraque ocurra una "ignicin de plasma". En este punto,La impedancia del plasma baja rpidamente (resulta-do de la auto-ionizacin en cascada) de manera quea solo bajos voltajes son suficientes para mantener oincrementar la cantidad de corriente.

El mecanismo por el cual este proceso ocurre es debi-do a los electrones libres dentro del metal del ctodoson acelerados (por el voltaje) de fuera de la superfi-cie hacia el nodo. A altas presiones estos electronesencuentran colisiones con las molculas de gas muycerca de la superficie del ctodo. Si ellos tienen sufi-ciente energa, las molculas se partirn y liberaranuno o mas electrones de valencia (ionizacin) la cualpuede, golpear a otras molculas para causar el mis-mo efecto. Las reas muy cerca al ctodo y muy cercaal nodo tienen una campo electrizo suficiente paracausar ionizacin por si misma, resultando en mascolisiones y subsecuentes ionizacin. Este tienen unefecto acumulativo. Los iones de gas positivos sonatrados al ctodo negativo y el los electrones carga-dos negativamente al nodo positivo, de esta manerahay un flujo de corriente. Esta mezcla aproximada neu-tra de partculas es llamada plasma, de lo cual derivael nombre del proceso industrial: "Nitruracin Inicapor Plasma".

La figura 5a muestra un ejemplo de cmo el voltajebaja a travs del plasma (desde el nodo al ctodo)puede verse. Las gradientes y los puntos de inflexin

de la curva varan como una funcin de la presin,voltaje, corriente y el tipo de gas. Como se ve en lacurva la mayor cada de voltaje esta ubicada muycerca de la regin catdica, y una cada mucho menorcerca del nodo y casi no hay cada de voltaje entreellas. Esto indica una gradiente de impedancia din-mica a travs del plasma. En otras palabras donde lacada de voltaje son grandes, hay una localizada unaalta impedancia comparado a las reas con pequeascadas de voltaje. Desde que el producto del voltaje yla corriente es la potencia (energa por unidad de tiem-po) podemos ver que las regiones de mayor cada devoltaje reciben la mayora de la energa generada porla fuente de poder y que el ctodo consume la mayo-ra de esa energa. (La mayor impedancia cerca de laregin catdica es debido a las partculas grandes lascuales son los iones de gas cargados positivamentechocan con los electrones cargados negativamenteque son acelerados desde del ctodo. Inversamente,la regin andica experimenta una acumulacin deelectrones con iones de gas acelerados hacia elctodo. Sin embargo debido al tamao relativamente

VOLTIOS

Cascada Anodica

Cascada Catodica

arco

AMPERIO

VOLTAJE DE

Minimo de Paschen

P.D (Presion x

(b) Ley de Paschen para el Voltaje de roturaEn un gas como funcin de la Presin x Distancia

(entre nodo y ctodo)

Fig. 5.-

(a)


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pequeo del electrn, hay un camino libre mayor paralos iones de gas, resultando en pocas colisiones en laregin andica). El cada de voltaje cerca de las re-giones andicas y catdica se denominan, respecti-vamente, "cascada" andica y catdica. La energaimpartida a estas regiones es a travs de la perdidade energa cintica por medio de impactos de las par-tculas en la superficie de trabajo o a travs de lascolisiones entre partculas.

Los proceso mencionados proveen energa a la su-perficie de trabajo en la forma de calor. Si el gas usa-do es nitrgeno, el ctodo ser bombardeado con ionesde nitrgeno, el cual reaccionara con el hierro pre-sente para formar una pelcula superficie al de nitrurosde hierro (llamado capa de compuestos o capablanca) y posteriormente se difunde dentro de el paraformar precipitados de nitruros con cualquier consti-tuyente de aleacin presente. Esta es la FISICA delproceso del Proceso de Nitruracin Inica.

La incandescencia (glow) visible que aparece alrede-dor la regin catdica es un producto del mecanismode descarga. Es causado por electrones en la regionesde alta probabilidad (orbitas de Los iones de gas queson movidos hacia atrs y adelante entre las rbitasmenores y mayores por medio de un campo elctrico, ola transferencia de energa cintica de las colisionescon otros iones. La energa requerida para mover es-tos electrones a un orbital de potencial es una canti-dad discreta como lo escribe la mecnica cuntica. Esteresulta en la emisin de radiacin electromagntica defrecuencias discretas, algunas de las cuales estn enla forma de luz visible. Cada gas tiene su propia luznica o lnea espectral. Refirindonos nuevamente a lafig. 4, la mezcla de gas para nitruracin tiene dosbandas de luz visible distinguibles cerca del ctodo.Bajo condiciones normales de nitruracin, la banda mascercana es delgada y coloreada rosada. La prximabanda es mas ancha y es de color purpura-azul. Fig. 6.A pesar que estas bandas visibles de luz no emitenmucha energa ellas juegan un papel importante en elcontrol del proceso de Nitruracion.

Cuando a corriente es lleva a la regin glow "anormal"( Fig. 3) la incandescencia empieza a aparecer perono cubre completamente la superficie del ctodo. Estoindica una corriente superficial no uniforme sobre lasuperficie de trabajo, como los iones estn recibiendoenerga en regiones localizadas (usualmente alrede-dor de arista filosas y zonas puntiagudas de las pie-zas que son procesadas). Con el aumento de la co-rriente, dentro de la regin de incandescencia, las pie-zas se rodean completamente con el glow, indicandouna distribucin mas uniforme de la densidad de co-rriente. Esta es el rea en la cual la nitruracin unifor-me toma lugar.

La mayora de las intensidades de las ondas electro-magnticas emitidas es de una longitud de onda muycorta especialmente en las frecuencia del infrarrojo.La intensidad a altas frecuencias se hacen dbiles atravs del espectro visible y casi inmedible en la re-gin de rayos x- En efecto estos autores midieronemisiones de rayos x en una maquina y encontraronestar en el orden de magnitud debajo de los limites deseguridad aceptable del OSHA.

Otro fenmeno importante ocurre cuando seincrementa la corriente hacia la regin de descarga,esta es llamada "zona de arco" y el voltaje de roturadel gas en particular. La Fig. 5 b muestra la curva tpi-ca relacionada en al voltaje de rotura como una fun-cin del producto de la presin y de la distancia nodo-ctodo. Sobre esta curva esta la regin de roturadielctrica (similar a lo dielctrico e un capacitor) cuan-do ocurre la descarga por arco. Aqu, los iones posi-tivos del ctodo y los electrones alrededor del nodoempiezan a cruzarse unos con otros hasta el puntodonde la fuerza natural de atraccin entre cargasopuestas supera la fuerza de repulsin de los voltajesaplicados, resultando en un efectivo "corto circuito" o"arco" en el plasma.

El arco es muchas veces visibles y puede tener efec-tos daos en la superficie de trabajo en la forma depicaduras. Debajo de la curva es la zona consideradapara el nitrurado. El punto mas bajo de la curva esllamado "El Mnimo Paschen" y es el voltaje de roturaminino para un determinado gas. En otras palabras la

Fig. 6.- Luz visible del plasma


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curva puede ser movida de izquierda a la derecha al-terando la presin y la distancia, pero no puede movi-da hacia arriba o hacia abajo. Infelizmente, la presio-nes de nitruracin tpicas y las distancia operan cercadel fondo de la curva, por lo tanto debe tomarse mu-cho cuidado en la posicin de las piezas con puntasagudas en posiciones cerca del borde la planchacatdica.

La figura 8 muestra un esquema simplificado de unainstalacin de nitruracin. La carga de trabajo es estasoportada en un soporte dentro de una cmara al va-co de pared doble, enfriada con agua conectada a unsistema de vaco y a una conexin de gas. El tanquees evacuado a una presin de 100 micras a una pre-sin suficiente baja para que el nivel de oxigeno pre-sente este dentro del limite aceptable (menor de 50ppm) luego es llenado con una mezcla de nitrgeno ehidrogeno. El uso de calefactores auxiliares de corrien-te A.C para calentar el ctodo a 300C o mayor esdeseable para minimizar el ciclo de tiempo. Puedetambin ayudar una mejor temperatura uniformemen-te de la pieza.

La descarga es iniciada usando una fuente de poderD.C. .y la presin y temperatura alcanzada sonincrementadas hasta la los valores de operacin porcontrol del flujo y la presin voltaje y corriente aplica-da. La descarga puede ser monitoreada por medidoresu osciloscopios y observados por las ventanas. El hor-no es puesto a tierra elctricamente, fro al tacto ysilencioso en operacin.

La nitruracin inica es un proceso es un "Procesolimpio", ya que no existen problemas de manipuleocon el Amoniaco o el cianuro, los gases resultantespueden expulsarse a la atmsfera.

La limpieza de las piezas es echa muy cuidadosamentepara remover los posibles contaminantes con un a lim-pieza final en un vapor desengrasante. Es particular-mente importante remover trazas de metales. Es posi-ble operar en presencia de hidrocarburos para produ-cir un deliberado nitrocarburacin pero el no controla-do o la presencia accidental de hidrocarburos lleva aresultados de nitrurados irreproducibles y errticos.

La nitruracin inica es un proceso donde el rea su-perficial es un parmetro de control en vez del peso elmaterial. Es necesario que la cobertura incandescen-te (glow seam) este presente sobre todas las reas enlas cuales el tratamiento es considerado. De manerasimilar uno puede interrumpir el glow en reas condeuno no desea la nitruracin.

El enmascarado de reas que no necesitan nitruracines simple y barato, ya que se usa simplesenmascaramientos mecnicos, los resultados son com-parables en efectividad y costo y tiempo que cuandose usa cobre en la operaciones de enmascarado enuna nitruracin gaseosa.

Enmascarado mecnico usando pernos, planchas ycilindros estndares pueden ser usados en cuestio-nes de minutos y pueden ser guardados para ser re-husados rpidamente. Pueden usarse laminas de ace-ro inoxidable.

La Temperatura es medida por termocuplas, ubicadasen la carga de trabajo donde sea posible, registradasy usadas para el control de la corriente aplicada. Lapresencia de "arco" se evita por control del sistemaen los cuales se monitorea la descarga de voltajeelectrnicamente. Este sistema puede detectar la ocu-rrencia de no uniformidades de corriente locales yrestaurar las condiciones de uniformidad. La detec-cin de arco y la supresin del mismo en el sistemapueden ser completamente y automticamente redu-cidos o operados manualmente dependiendo de lapreferencia de operacin y del equipo seleccionado.

Fig.7 Voltaje de Rotura del gas : Arco

+

-

Bomba de vacio

Gas de proceso

flujo

ANODO

CATODO

piezas

Fig. 8.- Representacin Esquemtica de unaInstalacin tpica para Nitruracin con Plasma


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PORQUE SE USA?

Las piezas son nitruradas tpicamente para mejorarsu resistencia al desgaste. Las ventajas de laNitruracion por plasma:1) El potencial para ciclos de tiempo reducidos ( 33 -

50%, mas corto en nitruracin de aceros)2) Distorsin reducida.3) La oportunidad de minimizar o reducir el desbaste

de acabado.4) La oportunidad de mejorar as propiedades metalr-

gicas, frecuentemente con materiales de bajo costo.5) La oportunidad de eliminar las placas de cobre en

el enmascarado con simples, mascaras mecnicas.6) La habilidad de dar resistencia al desgaste sin

fragilizar o causar descascaramiento encontradoscon Nitruracion convencional.

7) La habilidad de proveer una capa uniforme en geo-metra complejas.

8) El potencial de reducir costo (menor labor, menosconsumo de gas).

9) Eliminar problemas ambientales (no sales txicas,no gases txicos usados en los procesos conven-cionales).

10) El potencial de reducir rechazos a travs de ciclosprecisos y repetibles

Estas ventajas y otras pueden hacer la Nitruracioninica superior a la convencional, como tambin a otrastcnicas de endurecimiento superficial. Estas venta-jas son obtenidas por el control la composicin de loscompuestos de la capa.

A diferencia de los procesos convencionales con gasy de bao, Fig. 9, es posible simplificar el control la

estructura cristalina de la capa compuesta a ser for-mada en la Nitruracion inica. Esto es hecho varian-do la composicin de la mezcla de gases.

La composicin de los tres gases de inters comercialson:

1) "GAS para no-capa blanca" una composicin ge-neralmente menor de 5% N y el resto gas inerte(tpicamente Hidrogeno o Argn).Con esta composicin, "no se forma la capa de com-puestos (llamada comnmente capa blanca, debi-do a su apariencia despus del ataque por Nital)de nitruros de hierro. La superficie de trabajo es lapelcula difundida de precipitados de nitruros delos constituyentes de la aleacin (Cr, Mo, Al, V y/oTi) Esta composicin del gas tpicamente es usa-do para aceros de herramientas.

Fig.9 Superficie del acero conlos Productos formados duranteuna Nitruracin Convencional(a) capas de compuestos, (b)Zona de difusin

(a)

(b)

Fig.10.- AISI 4140. Efecto de la temperatura enla capa de difusin, la recta discontinua es

de una nitruracin gaseosa

2) "Gas Gamma Prima". Una composicin de 15 a 30%de nitrgeno y el balance de gas inerte. Esta com-posicin de gas tiene la caracteristica de formaruna capa de compuestos muy fina predominante-mente monofsica de estructura cristalina gama pri-ma fe Fe4N . Un factor considerable es que estacapa de 0,001 a 0-,004 se produce sin interesar eltiempo en el proceso. Los mayores tiempos pro-ducen difusin a mayores profundidades y las ma-yores temperaturas desarrollan capas de compues-tos relativamente mas gruesas. Tpicamente estacapa debera ser usada en la nitruracin de aceros4140.

3) "Gas Epsilon" la cual tiene una composicin de 60a 70 % Nitrgeno, 1-3% Metano y el resto gas iner-te. Esta composicin de gas tiende a formar predo-minantemente la fase Fe2-3N de estructura crista-lina Hexagonal ( Epsilon). A mas tiempo en el horala pieza, mas profundo y mas gruesa la capa decompuesto formada. Tpicamente las capas de com-


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puesto de hasta 0,0010 a 0,0012" puede formarse.A pesar que en muchas aplicaciones la capa decompuestos Epsilon de solo 0,0002 a O,0006" essuficiente para las caracteristicas de desgaste. Ma-yores temperaturas causaran adems una capa decompuesta mas gruesas en menos tiempo. La com-posicin del gas es usado tradicionalmente en ma-teriales que no tienen constituyentes de aleacin(cromo, vanadio, molibdeno, aluminio, etc.)con loscuales se difunda un precipitado de Nitruro.

Los mecanismos han sido caracterizados comoa) Desgaste por impactob) Desgaste por rodadurac) Desgaste abrasivod) Desgaste adhesivoe) Desgaste por deslizamiento

Estas ejercen esfuerzos superficiales sobre la piezade trabajo y sobre la herramienta. Tambin, deforma-ciones mecnicas debido a los esfuerzos de traccin,de compresin y de torsin, actan sobre las piezas.Tpicamente la nitruracin es echa para aumentarlaresistencia al desgaste por deslizamiento y seria unapobre alternativa para desgaste por impacto.

INFLUENCIA DE LA POROSIDAD SUPERFICIALEN EL DESGASTE

Es sabido que la porosidad superficial es capaz deretener lubricantes en las zonas de contacto entresuperficies de desgaste opuestas. Frecuentemente enlas piezas como los cilindros de los motores diesel sesabe que la porosidad superficial permite una "corri-da" suave. Se cree que el desgaste por friccin esincrementado por una superficie porosa lubricada,impartida por una Nitruracion en bao de sales.

La adicin de Amoniaco sin fraccionar puede usar-se para incrementar la porosidad superficial.

Fig.11.- AISI 4140. Espesor de la capa Blanca enfuncin del tiempo de nitruracin inica

Las formacin de estructuras cristalinas en la capa decompuestos caracterstica para la nitruracin gaseo-sa y por bao puede tambin obtenerse. Estas es-tructuras, sin embargo son metalrgicamente mspobres que las estructuras en las cuales las estructu-ras cristalinas monofsicas son obtenidas en el 100%de la capa de compuestos o sin capa blanca del todo.

Mezcla de gases especiales pueden usarse para im-partir propiedades nicas a la superficie. Tpicamentelas superficies nitruradas inicas no son porosas. Estadiferencia sustancial de los procesos convencionaleslas que tienen superficies altamente porosas. En cier-tas aplicaciones en la cual el desgaste por friccin esencontrado, es deseable impartir algo de porosidad ala superficie. Esto puede ser hecho por adicin deAmoniaco a la composicin del gas.

PROPIEDADES DE DESGASTE

El desgaste es un asunto complejo y solo ser par-cialmente tratado en este articulo. Dentro del contextode herramientas de aceros rpidos, se realiza elnitrurado para incrementar la resistencia al desgastedel borde de corte y reducir la tendencia a la soldadu-ra en el borde de corte. La importancia de estos facto-res depende grandemente del trabajo de la herramien-ta, si el material es blando y pegajoso o duro y abra-sivo, tal como una herramienta de acero.

Fig.12.- Resistencia al desgaste en funcinde la perdida de peso

I. Temple y revenido II. PIN 1 h 580 CIII. PIN 9h 530 C IV. PIN 30 h 450 C

FATIGA

La nitruracin inica aumentar las propiedades defatiga de hasta un 40% sobre as piezas nitruradasconvencionalmente.


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DISTORSION, CRECIMIENTO Y ACABADO DE LASUPERFICIE

Para la mayora de aplicaciones de produccin, laNitruracion se considera un tratamiento de bajo o sincrecimiento. Esta premisa esta algo simplificada ya quese debera observar las tres reas:

DistorsinEl trabajado mecnico previo y el tratamiento trmicoson la fuente de distorsin en las piezas. Si ellas fue-ran apropiadamente recocidas para alivio de tensio-nes a temperatura 50 F por lo menos encima sobre latemperatura PIN-soak, no habra ninguna distorsindebido a la tratamiento PIN. Esto es correcto para fun-diciones, forja o piezas mecanizadas.

Partes delgadas largas pueden ser amarradas a unutilaje para relevar tensiones durante el tratamientoPIN. Bajo estas condiciones puede mantenerse la dis-torsin al mnimo.Piezas muy delgadas con espesores menores de 10mm puede distorsionarse debido a las fuerzas de com-presin de la misma capa de nitruros. Esencial quepiezas delgadas reciban el tratamiento a ambos ladospara balancear las fuerzas compresivas.

Crecimiento en VolumenTodas las piezas reciben y difunden el nitrgeno paraformar una capa, por tanto estn sujetas a un incre-mento de volumen. solo en los aceros maraging se hareportado una disminucin del volumen con el tiempo.

Fig. 12. Aumento de Espesor con el tratamiento

Acabado superficial.El dao por radiacin, sputtering, y la absorcin denitrgeno puede causar un incremento en la rugosi-dad superficial. Sorprendentemente esto es muy dife-rente (menor) que los procesos de endurecimientosuperficial.

Un rango tpico de rugosidad superficial es 0,2 -. 0,5micras. Generalmente el acabado original puede serrestaurado por un simple pulido.

DuctilidadDatos tomados en ensayos torsionales estticos es-tn presentados como una medida de la ductilidadsuperficial. El ngulo de torsin a la cual aparece laprimera fisura es observado es una medida de la duc-tilidad relativa de la superficie.El orden es: la capa de difusin es la mas dctil, Lue-go gamma prima seguida de Epsilon que es la menosdctil.

Resistencia a la corrosinUna capa de compuesto sobre un acero ordinarioincrementa la resistencia a la corrosion de la pieza.El Tratamiento PIN en una acero al cromo reduce laresistencia la resistencia a la corrosin especifica dela pieza al depletar cromo como nitruros de cromo. Lasuperficie PIN la cual esta libre de porosidad es masresistente a la corrosion que las superficies porosas,fisuradas de los otros procesos de nitruracin conven-cionales.

DNDE SE USA?

La Nitruracin inica es usado en plantas de trata-mientos trmicos comerciales para dar o mejorar laresistencia al desgaste en una amplia variedad de pie-zas, como tambin en procesos de produccin pro-pios. Estas aplicaciones se muestran en la Tabla 1.

TABLA 1

APLICACIONES COMERCIALES DEL NITRURADO IONICO

Industria de plastico(Alta abrasin, Aplicaciones de llenado de plsticos)Reemplazo de los electro depsitos de cromo de losmoldesReemplazo de bimetales duros de las caras de los torni-llos.Matrices de peletizacion

Industria AutomotrizVlvulasCigealesEngranajesMatrices de forjaArmamentoCaones de pistolasBloquesRieles de lanzamiento de proyectiles

Industria del PapelCuchillas de corte y splitttingAlabes directricesRodillos corrugados


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La distribucin estimada de estas unidades alrededordel mundo se muestran en el la tabla 2.

Tabla 2

Un estimado de las Instalacionesen el mundo entero

Pas Estimado de unidades en operacin comercial

China 32 %Europa y Ex Bloque Sovitico 32 %Japn 24 %USA 6 %Canad 0,5 %Otros 5,5 %

La aplicacin mas exitosa se da en los estados unidosen el hierro maleable para la industria automotriz.El tratamiento de nitruracin convencional en las pie-zas automotrices causa un rechazo del 28%, debido a

la gran estreches de tolerancias dimensionales en elsistema de transmisin del automvil. Este alto re-chazo es causado por la distorsin. Ensayos de trata-mientos por induccin es prometedor, pero en la ac-tual produccin los equipos causan hasta un 40% derechazos. En ensayos de Nitruracion inica realiza-dos una pelcula de 0,002" (0,005mm) nitruros inicosEpsilon (Fe2.3N) cumpliran en mejorar la resistenciaal desgaste requerido con menos del 2% de rechazocausado por distorsin.

Basados en estos ensayos exitosos, se ordenaronequipos para cumplir la demanda de las transmisio-nes automotrices para el ao venidero.A pesar que los ensayos originales fueron llevados acabo con piezas limpias, y el contrato especifica par-tes "limpias" para ser irradiadas, la aplicacin finalpermitir la eliminacin de la etapa de limpieza.

Este ejemplo muestra lo que la Nitruracin Inica ofre-ce hoy a los metalurgistas y a oportunidad para en-contrar nuevas y econmicas soluciones a los proble-mas de ingeniera de materiales.


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PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DEL PERU

NITRURACION IONICA ASISTIDA POR PLASMA

Jesus Ruiz [email protected]

Laboratorio de Materiales

Solicitacin Mecnica: Transmitir potencia/movimiento

Problemas: Desgaste

Solucin: Incrementar la Resistencia al Desgaste

TECNICAS DE PROCESAMIENTO POR

PLASMA

TECNICAS DE RECUBRIMIENTO POR

SOLDADURA/THERMAL SPRAYING

TECNICAS DE RECUBRIMIENTO PORELECTRODEPOSICION,

PVD , CVD

TECNICAS DE TRATAMIENTOS

TERMOQUIMICOS

TRATAMIENTOS PARA

INCREMENTAR PROPIEDADES

EN LOS MATERIALES



Fases o compuestos Cermicas AxBy

Fases Metlicas Duras

Union Fsica o Qumica

Sustrato o Nucleo

Solucin: Incrementar la Resistencia al Desgaste Fases o compuestos Cermicas AxBy

Union Qumica

NITRURACION

NITRURACION GASEOSA

N. ITRURACION IONICA ASISTIDA POR PLASMA

(PIN)

NITRURACION LIQUIDANITRURACION

N+

N+

2Fe + N+ = Fe2N

+

-

Bomba de vacio

Gas de proceso

flujo

ANODO

CATODO

piezas

Esquema del reactor de proceso


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gas para CAPA Epsilon Fe2N

Nitrgeno 60 70% 1 3 Metano 5%Resto gas inerte

gas para CAPA Gamma Prima Fe4N

Nitrgeno 15 - 30%

Resto gas inerte

RESULTADO

Capa de compuestos

Zona de Difusin

CUANDO EL CATODO ES ACERO Y EL GAS ES NITROGENO.

Planta Tpica deProcesamiento por Nitruracin Inica

1.- Carga

2.-Pantallas reflectoras3.- Carcaza del reactor

4.-Puerta de carga

5.- Equipo de bombeo y sistema devacio

6.- Fuente y control de gases

7.- Fuente de ionizacion (DC)8.- Visor y accesos de Medicin y control

9.-Sensor de Temperatura

10.-Panel de Control

Descarga elctrica en un gasOXIGENO

NITROGENO

cada gas tiene su colorcaracterstico


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Zona de Difusin > Zona de Gamma Prima

DUCTILIDAD relativa

Zona de Gamma > Zona Epsilon Prima

Aumento de Espesor con el tratamiento PIN

gas para NO-CAPA BLANCA

Nitrgeno < 5%

Resto gas inerte

Resistencia al desgaste en funcin de la perdida de peso

I. Temple y revenido II. PIN 1 h 580 CIII. PIN 9h 530 C IV. PIN 30 h 450 C

Un estimado de las Instalaciones en el mundo entero

Pas Estimado de unidades en operacin comercial

China 32 %Europa y Ex Bloque Sovitico 32 %Japn 24 %USA 6 %Canad 0,5 %Otros 5,5 %

Un estimado de las Instalaciones en el mundo entero

10. nitruración iónica asistida por plasma

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