Comparación y contraste de Carbonitruración y Nitrocarburación

La terminología del tratamiento térmico a veces es desafiante. Los tratadores térmicos pueden ser inconsistentes a veces, usando una palabra cuando realmente significan otra. Ha escuchado los términos carbonitruración y nitrocarburación y sabe que son dos procesos de endurecimiento de cajas diferentes, pero ¿cuáles son las diferencias reales entre ellos? Aprendamos más.

Parte de nuestra confusión proviene del hecho de que hace años la carbonitruración era conocida con otros nombres: «cianuro seco», «cianuro gaseoso», «nicarbante» y (sí) «nitrocarburante».»

El proceso de carbonitruración

La carbonitruración es un proceso de carburación modificado, no una forma de nitruración. Esta modificación consiste en introducir amoníaco en la atmósfera de carburación para añadir nitrógeno a la caja carburada a medida que se está produciendo (Fig. 1).

La carbonitruración se realiza típicamente a una temperatura más baja que la carburación, desde tan solo 700-900°C (1300-1650°F), y por un tiempo más corto que la carburación. Dado que el nitrógeno inhibe la difusión del carbono, una combinación de factores resulta en profundidades de caja más superficiales que las típicas de las piezas carburadas, típicamente entre 0,075 mm (0,003 pulgadas) y 0,75 mm (0,030 pulgadas).

Es importante tener en cuenta que un contribuyente común a la profundidad de caja no uniforme durante la carbonitruración es introducir adiciones de amoníaco antes de que la carga se estabilice a temperatura (este es un error común en los hornos que comienzan las adiciones de gas al recuperar el punto de ajuste en lugar de introducir un retardo de tiempo para que la carga alcance la temperatura). Es importante recordar también que cuando se detiene la adición de amoníaco, comenzará a producirse la desorción de nitrógeno.

El rango de temperatura en el que se realiza la carbonitruración es necesariamente menor, ya que la descomposición térmica del amoníaco es extremadamente rápida, lo que limita la disponibilidad de nitrógeno a temperaturas de austenización más altas. Se forma una estructura más quebradiza a temperaturas más bajas, y el funcionamiento de hornos por debajo de 760°C (1400°F) puede ser un problema de seguridad.

El nitrógeno en el acero carbonitrurado mejora la capacidad de endurecimiento y permite formar martensita en aceros de carbono liso y baja aleación que inicialmente tienen baja capacidad de endurecimiento. Ejemplos de estos aceros incluyen los grados SAE 1018, 12L14 y 1117. Los nitruros formados contribuyen a la alta dureza de la superficie. Al igual que el carbono, el manganeso o el níquel, el nitrógeno es un estabilizador de austenita, por lo que la austenita retenida es una preocupación después del enfriamiento. Controlar el porcentaje de amoníaco reducirá la cantidad de austenita retenida y debe hacerse si se reduce la dureza o la resistencia al desgaste. Otra consecuencia de los altos porcentajes de nitrógeno es la formación de huecos o porosidad. En general, se recomienda que el contenido de nitrógeno en la superficie se limite al 0,40% como máximo.

Una variación común del proceso de carbonitruración es introducir amoníaco durante la última parte del ciclo, típicamente en la última 0,5-1 hora antes de que la carga se apaga. Cualquier pérdida de endurecimiento que pueda ocurrir debido a la oxidación interna (o intergranular) se compensa parcialmente por la absorción de nitrógeno.

Vale la pena mencionar varios otros puntos. La presencia de nitrógeno en la caja carbonitrurada aumenta la resistencia al reblandecimiento al revenido (similar a algunos elementos de aleación), y cuanto mayor es el contenido de nitrógeno, mayor es la resistencia del material al reblandecimiento. Las temperaturas de templado más altas, hasta 230°C (440°F), a menudo se usan en piezas carbonitruradas. La resistencia al templado se manifiesta en propiedades de desgaste. Los engranajes carbonitrurados, por ejemplo, presentan una mejor resistencia al desgaste que muchos engranajes carburados. La profundidad de caja baja en piezas de sección delgada de acero sin alear, como punzones troquelados, se puede usar sin revenido (pero esto nunca se recomienda).

El Proceso de nitrocarburación

Hoy en día, «nitrocarburación ferrítica» se conoce comúnmente simplemente como «nitrocarburación» (y de ahí la confusión con el nombre anterior para carbonitruración).

Nitrocarburación ferrítica (FNC)

La nitrocarburación es una modificación del proceso de nitruración, no una forma de carburación. Esta modificación consiste en la introducción simultánea de nitrógeno y carbono en el acero en su condición ferrítica, es decir, por debajo de la temperatura a la que comienza a formarse la austenita durante el calentamiento (Fig. 2).

La nitruración se realiza típicamente utilizando amoníaco con o sin dilución de la atmósfera con amoníaco disociado o nitrógeno / hidrógeno en el rango de temperatura de 500-580 ° C (925-1075°F), aunque tradicionalmente se considera que el límite superior es de 565°C (1050°F). En comparación, la nitrocarburación se realiza típicamente en el rango de temperatura de 550-600°C (1025-1110°F) en atmósferas de 50% de gas endotérmico + 50% de amoníaco o 60% de nitrógeno + 35% de amoníaco + 5% de dióxido de carbono. También se utilizan otras atmósferas que varían la composición, como 40% de gas endotérmico + 50% de amoníaco + 10% de aire. La presencia de oxígeno en la atmósfera activa la cinética de transferencia de nitrógeno. El espesor de la capa» blanca «o» compuesta » es una función de la composición y el volumen de gas (flujo). La nitrocarburación a menudo va seguida de un tratamiento oxidante para mejorar la resistencia a la corrosión y la apariencia de la superficie.

Una secuencia compleja está involucrada en la formación de un caso nitrocarburado. Es importante que una capa muy delgada de carbonitruro de epsilon (e) monofásico se forme normalmente entre 450°C (840°F) y 590°C (1095°F). Esta capa de compuesto tiene una zona de difusión subyacente que contiene nitruros de hierro (y aleación) y nitrógeno absorbido asociado con ella. La capa blanca tiene excelentes propiedades antidesgaste y antidesgaste y se produce con una distorsión mínima. La zona de difusión, siempre que sea lo suficientemente sustancial, mejora las propiedades de fatiga, como el límite de resistencia, especialmente en aceros de carbono y baja aleación. Parte del aumento de la dureza de la carcasa se debe a una zona de difusión debajo de la capa de compuesto, especialmente en los aceros más aleados con formadores de nitruro fuertes.

No es raro observar la porosidad de la capa compuesta debido a la presencia de una reacción de carburación en la superficie del acero, que influye en la cinética de nitruración y, por lo tanto, en el grado y tipo de porosidad en la superficie de la capa de epsilon (e). Se pueden producir tres tipos diferentes de capas: sin porosidad, porosidad de esponja o porosidad columnar. Algunas aplicaciones requieren capas profundas de epsilon no porosas. Otras aplicaciones en las que, por ejemplo, se necesita una resistencia a la corrosión óptima se benefician de la presencia de porosidad de esponja. Otros se benefician de la porosidad columnar, donde la retención de aceite puede mejorar la resistencia al desgaste.

Nitrocarburación austenítica (ANC)

Una variante de carbonitruración a baja temperatura es la nitrocarburación austenítica. Este proceso se lleva a cabo en el rango de temperatura de 675-775°C (1250-1425°F). Se puede controlar para producir una capa de compuesto superficial de carbonitruro de epsilon (e) con una subsuperficie de bainita y/o martensita producida en el enfriamiento, lo que resulta en una buena estructura de soporte para la superficie dura. La microestructura es particularmente útil en aplicaciones de resistencia de contacto de punto de tensión intermedio (por ejemplo, engranajes helicoidales).

Resumen

Comprender mejor estos procesos permite que cada método de tratamiento térmico se utilice de la mejor manera posible.

  1. Herring, Daniel H., Tratamiento Térmico Atmosférico, Volumen I, BNP Media 2014, pp. 58-67
  2. ASM Handbook Volume 4D: Heat Treating of Irons and Steels, Jon L. Dossett y George E. Totten (Eds.), ASM International, 2014
  3. Manual de metales, Volumen 4, ASM International, 1991, pp.376-386 y 425-436
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  5. Slycke, J. y Ericsson, T., «A Study de Reacciones Que Ocurren Durante el Proceso de Carbonitruración,» J Heat Treat, Vol. 2 (Nº 1), 1981, pp 3-19
  6. Dawes, C.,» Nitrocarburizing and Its Influence on Design in the Automotive Sector, «Tratamiento térmico de Metales, 1990, pp. 19-30
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