Nitruración por Plasma vs Nitrocarburación Líquida

PROCESOS
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Foto: Cortesía: Tratar S.A.
Nitruración por Plasma vs
Nitrocarburación Líquida
Camilo Marín Villar
Metal Actual
En busca de
tratamientos
superduros.
El desarrollo de técnicas
modernas para tratamientos
superficiales como la
nitruración por plasma o
nitruración iónica, provee a
la industria metalmecánica
de opciones limpias y
eficientes, con nuevos y
mejores parámetros de
control que permiten
optimizar la calidad de los
materiales y componentes sin
afectar el medio ambiente.
Actualmente, uno de los objetivos primordiales de varios grupos de investigación colombianos, tanto públicos como privados, es conseguir recubrimientos o tratamientos superficiales que logren mejorar la resistencia
al desgaste y a la corrosión de los materiales metálicos,
además, reducir el coeficiente de fricción, tanto para
aceros de herramientas como de maquinaria.
Los grupos de investigación han dejado de lado el estudio de los tratamientos térmicos y los recubrimientos
tradicionales (galvanizado, anodizado, cromado y soldadura), más conocidos como técnicas clásicas, para incursionar en las nuevas tecnologías de recubrimientos, que
han permitido en las últimas dos décadas el desarrollo
de procesos avanzados y materiales súper duros.
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Precisamente, una de las áreas de
estudio es la nitruración por plasma,
un proceso termoquímico para el endurecimiento superficial de los metales, y en especial del acero, con gran
aplicación en la industria mundial.
En Colombia, en la mayoría de la industria, se utiliza la nitrocarburación
líquida en baño de sales que, aunque
es un proceso eficiente y de bajo costo, presenta una serie de desventajas
de calidad en la superficie del material que no son ideales y, además, al
emplear residuos tóxicos como cianuros y cianatos para nitrurar, esta técnica afecta el medio ambiente. Por
su parte, la nitruración por plasma o
iónica, si bien es cierto, debido al costo de los equipos, necesita una alta
inversión inicial, es un proceso que
trae grandes ventajas en cuanto a la
calidad obtenida de las piezas procesadas y, a mediano y largo plazo, permite lograr equilibrio financiero.
¿Qué es la Nitruración?
Nitrurar es una técnica que se encuentra clasificada dentro de los procesos
termoquímicos; es decir, aquellos que
emplean altas temperaturas para
causar una reacción en un elemento
químico e introducirlo por difusión
en la superficie de un metal o aleación. Todos los procesos de esta clase
tienen el mismo objeto: mejorar las
propiedades mecánicas de la superficie del material; la diferencia, entre
uno y otro, radica en el elemento a
Grafico: www.aimt-group.com
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introducir; por lo general nitrógeno
y carbono, (N, C) así como en la temperatura y el tiempo del proceso, y
la tecnología utilizada, con lo que se
obtienen propiedades diferentes según cada método.
Entre las técnicas de difusión termoquímica empleadas con más frecuencia por la industria metalmecánica se
encuentran la cementación, carbonitruración, nitrocarburación, borización y, por supuesto, la nitruración.
Esta última, se puede aplicar de tres
formas diferentes: por medio de gas,
nitruración líquida y finalmente por
plasma, en la que se utiliza un rango
de temperaturas más bajo relativo
a los demás procesos, ya sea de la
propia nitruración o en general de
difusión termoquímica.
En las tres variantes, se realiza la penetración del nitrógeno a través de
la superficie del material a tratar.
En suma, este elemento se difunde
entre los espacios de la red cristalina
Grafico 1. Variaciones de los procesos de nitruración
determinados por la tecnología utilizada en cada uno de ellos.
Fuente: Facultad de Ingeniería Mecánica. Universidad de los Andes.
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del hierro (Fe) –difusión intersticial–
de tal manera que se forman compuestos superficiales de N y Fe conocidos como nitruros, lo cual da lugar
al endurecimiento del material.
La nitruración se emplea para aumentar la dureza superficial de diferentes materiales metálicos y aleaciones, en especial de aquellos cuya
composición es propicia para la formación de nitruros; los formadores
de nitruros más fuertes son el aluminio, cromo, molibdeno, vanadio
y tungsteno. Por ello, en general,
todas las series de aceros con alto
contenido de estos aleantes presentan una buena nitruración; los
aceros rápidos, grado herramienta,
refractarios y los inoxidables también reciben muy bien este proceso.
En todas las categorías de aceros se
pueden controlar las condiciones del
tratamiento para conseguir atributos funcionales específicos según el
requerimiento industrial.
Asimismo, producto de sus resultados, esta técnica contribuye a elevar
la resistencia a la fatiga, mejorar las
propiedades antidesgaste y retrasar
la corrosión del acero frente a algunos medios corrosivos, incluso ante el
ataque de combustibles; además, la
capa nitrurada tiene capacidad para
comportarse como una película lubricante y aumentar la resistencia a la
temperatura hasta 500ºC. Los análisis
de los Andes indican que la nitruración incrementa la vida útil de los
aceros tipo herramienta de 100 a 200
por ciento; evidentemente, si la capa
nitrurada se desgasta, la herramienta
debe ser tratada de nuevo.
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PROCESOS
La nitruración presenta ventajas sobre los demás procesos de difusión
termoquímica como, por ejemplo,
la carburización o cementación (entre 870 y 1.065ºC) o borización (entre 760 y 1.095ºC), que requieren
de temperaturas mucho más altas,
lo que puede acarrear distorsiones
dimensionales o microestructurales
en las piezas; y en consecuencia,
demandan procesos adicionales de
rectificado para contrarrestar las
deformaciones obtenidas en este
proceso. Igualmente, esta técnica,
además, de no alterar las tolerancias de los productos y no requerir
tratamientos posteriores, consume
menos energía que cualquier otro
proceso, lo que reduce los costos
finales de manufactura de los elementos tratados.
La nitruración es útil para distintos
componentes de varios sectores industriales: aparatos de uso doméstico; maquinaria para imprenta y sector
textil; componentes electrónicos, para
ingeniería eléctrica, energía y tecnología de reactores; fabricación de
herramientas; industria aeronáutica,
armamentística, hidráulica y neumática; ingeniería mecánica en general;
metrología y técnicas de control; minería; tecnología ferroviaria, fijación
y médica; autopartes y piezas para
automotores; válvulas y accesorios.
Proceso En Colombia
A nivel industrial, el proceso por
plasma hasta el momento sólo ha
sido desarrollado por la empresa antioqueña Tratar S.A., en representación del sector privado, quienes con
el apoyo de Colciencias y consultores
internacionales, implementaron un
sistema de última generación para
realizar procesos al vacío de nitruración y nitrocarburación iónica, el cual
ya está al servicio de la industria.
Por su parte, aunque diversas compañías ofrecen la nitrocarburación líquida en Colombia, no todas emplean métodos y tecnología
NITRURACIÓN
Líquida en Baño de Sales
Por Plasma o Iónica
En Colombia el proceso de nitruración más
difundido es el líquido, este método es realmente una nitrocarburación –difusión de nitrógeno y carbono a lo largo y ancho de la
superficie de un material– en la que se utiliza
un baño de sales (cianuros o cianatos) y un
rango de temperaturas de 510 a 580ºC, durante un tiempo de nitruración entre 15 min y
4 horas. El proceso logra profundidades de
penetración cercanas a 0.15 mm.
El plasma es considerado el cuarto estado de la materia, al aplicar suficiente cantidad de energía a un gas
se produce el fenómeno de ionización que permite la
aparición de partículas cargadas eléctricamente –iones y electrones–, cuándo las partículas presentan
una fuerza electromagnética que define el sistema,
se dice que el gas se ha transformado en plasma. La
energía utilizada para hacer reaccionar el gas puede ser, en teoría, de cualquier tipo; ya sea, térmica,
mecánica o eléctrica, esta última es la más empleada
para la nitruración por plasma.
Este proceso se basa en el principio de difusión de partículas a través de la aplicación de
energía, en este caso térmica para la activación de los átomos de N y C; a medida que
aumenta el tiempo de difusión, aumenta la
capa difusiva.
Básicamente, el proceso de nitrocarburación
en sales consiste en los siguientes pasos:
Precalentamiento de las piezas a una temperatura de 350ºC.
Nitrocarburación en baño de sales a una
temperatura entre 570ºC y 580ºC en un tiempo entre una y dos horas.
Al sacar del baño se deben enfriar las piezas
inmediatamente a 400ºC
Se dejan enfriar a temperatura ambiente y
limpiar con agua.
Por supuesto, este proceso puede variar dependiendo de las variables de temperatura,
tiempo, composición del material y concentraciones de las sales nitrurantes, por lo que
se obtienen diversas propiedades en la capa
de los materiales tratados.
Debido a sus diversas aplicaciones, la ventaja de este proceso reside en la flexibilidad de
los equipos y el bajo costo de instalación; algunas de sus aplicaciones son: camisas para
pistones, engranajes, bielas, matrices de forja, husillos y componentes automotrices.
Generalmente, en un ambiente sellado y al vacío
(3 – 10mbar de presión absoluta), mantenido por un
reactor plasma con escudos de acero inoxidable y una
bomba de vacío, una fuente de corriente directa pulsada genera una serie de descargas eléctricas entre dos
electrodos (cátodo y ánodo) y un gas (N2, H2, Ar).
Las temperaturas varían desde 350 hasta 580ºC, con
presiones desde 0.1 a 1kPa, los ciclos de nitruración
oscilan entre ½ y 10 horas.
Por medio de la energía introducida las partículas del
gas se excitan y colisionan entre si, liberan energía,
permiten el aumento de la temperatura y ocasionan
que los átomos e iones se desplacen del gas hacia el
material (cátodo) y lo impacten. Gracias el bombardeo
iónico se desprenden átomos de algunos contaminantes de la superficie del material; el hierro del material
reacciona con el nitrógeno y forma los nitruros de hierro (FeN), lo que causa la formación de una capa dura
conocida como “capa blanca” por su coloración al ser
observada al microscopio.
El incremento de la temperatura de la pieza y el bombardeo iónico de nitrógeno permite la difusión de átomos de nitrógeno hacia el interior de la estructura del
material, lo que forma los nitruros de aleantes de acero
como, por ejemplo, nitruros de cromo que en últimas
forman la capa de difusión, la cual tiene mayor dureza
que el núcleo del material y lo protege, le brinda resistencia al desgaste y la corrosión; además, incrementa
la dureza en profundidad y la resistencia a la fatiga.
adecuada; en ese sentido los desechos residuales originados por las
sales afectan gravemente el medio
ambiente.
Actualmente, en el país se ofrecen dos procesos de nitrocarburación líquida; la nitruración líquida
convencional, la cual es altamente
contaminante, y el proceso Tenifer®, marca registrada de Böhler
Uddeholm Colombia S.A., que se diferencia de la convencional por que
usa sales neutras que no atacan de
forma alta al medio ambiente; además, Böhler Uddeholm Colombia,
cuenta con una planta de tratamiento de aguas sistematizada que le ha
permitido obtener del Gobierno Nacional el permiso para vertimiento
de aguas debido a los bajos contenidos de elementos contaminantes.
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Dentro de los procesos de preparación de las piezas para
llevar a cabo el proceso Tenifer®, es necesario pasar las
piezas por químicos para retirar impurezas de la superficie del acero, con el fin de que estas no cambien el
balance químico de las sales, sin que afecten la calidad
superficial de la pieza. Antes de aplicar el método Tenifer®, los aceros tienen que pasar por proceso de temple
previamente, el cual se realiza a temperaturas muy distintas del temple convencional con el fin de preparar la
pieza y lograr obtener capas muy duras (las cuales oscilan entre 800 HV a 1500 HV).
Para mejorar la resistencia a la corrosión de piezas,
Böhler Uddeholm Colombia, realiza un proceso llamado
Tenifer® + QPQ, el cual le confiere al acero este incremento a soportar el ataque de algunos medios corrosivos, algo que no se obtiene por el método convencional
de nitrocarburación en sales. Las profundidades de capa
blanca, con este método, oscilan entre 10 – 30 µm, con
un nivel de porosidad de capa blanca más baja que la
que se obtiene por el método convencional de nitrocarburación en sales.
La Investigación
Una investigación realizada por el ingeniero mecánico,
Juan Guillermo Schlief, de la Universidad de los Andes,
muestra algunas de las ventajas y desventajas de la técnica por plasma y la nitrocarburación líquida. Para efectuar el estudio, Schlief realizó pruebas iniciales sobre un
acero AISI 1010, con el fin de cuantificar las tendencias
de un proceso de plasma sobre un material con la menor
cantidad de aleantes posible.
Para las pruebas finales se eligieron otros tres tipos de
aceros, seleccionados, de acuerdo a la demanda en la
industria metalmecánica nacional y por sus excelentes
propiedades físico-químicas, ideales para recibir la técnica de plasma. Estos son: los aceros para herramientas
AISI SAE H13 y DIN 1.2738 (aceros que tienen bajo contenido de azufre) utilizados para la producción de moldes
de inyección y producción de componentes para procesos de corte o deformado plástico, también, el AISI SAE
D2 que se caracteriza por su alto contenido de cromo y
la aleación de molibdeno y vanadio en pequeñas proporciones, por lo que es un excelente formador de estos
nitruros; el D2 se emplea para la inyección de plásticos,
fabricar punzones, matrices de embutido o herramientas de corte en frío como cizallas, entre otras. El estudio
realizó una comparación de estos materiales, sobre tres
aspectos fundamentales: porosidad de la capa, perfil de
durezas de la superficie y composición química superficial de la capa blanca.
Al respecto, se pudo establecer que partir del proceso
plasma se reducen los porcentajes de porosidad frente
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PROCESOS
Foto: www.transportation.anl.gov
inicial para la técnica plasma y nitrocarburación líquida.
a un proceso de nitrocarburación líquida para los cuatro tipos de aceros
estudiados entre 2 y 4 por ciento; la
porosidad se desplaza hacia fuera de
la capa blanca, lo que evita posibles
inclusiones de agentes corrosivos. De
igual manera, los espesores de la capa
blanca fueron mayores y más homogéneos para los procesos de plasma.
La formación de la capa blanca es
muy importante para la buena resistencia a la corrosión y una resistencia
mecánica al desgaste pero perjudicial
para otras aplicaciones. A diferencia
del proceso con baño de sales, por
medio del proceso realizado por plasma se puede controlar la aparición o
no de esta capa blanca para ajustar
los resultados metalúrgicos a la aplicación específica.
Si bien, en el ejercicio de los Andes,
las durezas superficiales fueron mayores en la nitrocarburación liquida
en sales, y el espesor de la capa de
difusión presente en los aceros nitrurados por plasma presentó valores de dureza bajos, la mayor extensión de esta capa en la nitruración
por plasma compensa la deficiencia
y contribuye a mejorar las propiedades de los materiales para las aplicaciones de alto desgaste.
Por su parte, Andrés Bernal, Subgerente de Tratar S.A., explicó que en
las pruebas realizadas para la imple-
Para calcular el ahorro de energía con plasma el estudio del, Ing.
Schlief, describe un interesante
ejemplo: se compara el consumo
y costo de energía de una serie de
fuentes de voltaje (DC) utilizadas comúnmente en nitruración por plasma respecto a los hornos eléctricos
para el calentamiento de sales en el
caso de nitruración liquida.
La nitruración de difusión
por plasma normalmente
se produce al vacío a
temperaturas de entre
450 y 580 ºC con la ayuda
de plasma generado por
una descarga luminiscente
en la superficie de la pieza
de trabajo.
mentación del proceso plasma en su
compañía, quedó demostrado que la
dureza superficial es uno de los parámetros que se pueden controlar con
total exactitud, con lo cual se logran
propiedades iguales o mayores que
en otros tipos de nitruración, incluso
que en el proceso de sales. De hecho,
el minucioso control de los parámetros en el plasma es una de las grandes ventajas del proceso en si mismo.
Consideraciones Económicas
Una de las razones que motivaron el
estudio, además de hallar mejoras a
las propiedades de la capa nitrurada,
fue encontrar consideraciones económicas que muestren las ventajas
y desventajas de la nitruración por
plasma para Colombia. Al respecto,
se evaluó el consumo de energía, el
costo de los insumos y la inversión
Los resultados fueron muy satisfactorios; el plasma con muy baja potencia alcanza a procesar el mismo
número de piezas por casi ¼ del precio de nitruración liquida; conviene
aclarar que un proceso nitrocarburación liquida en sales de 2 horas a
una temperatura nominal (350ºC)
requiere de 3 horas previas de calentamiento de los cianuros, para realizar la oxidación de los mismos hasta
obtener cianatos; en el caso del proceso Tenifer® esto no es necesario,
ya que una vez se encuentre fundida
la sal se puede usar el baño.
En el caso de implementar ambos
procesos para producir el mismo número de piezas, durante 24 horas, 5
días a la semana durante un año, se
obtiene un ahorro por consumo de
energía de $39 millones en un equipo de plasma GSW 150, equivalente
a un horno TS/40/30 de nitruración
liquida en sales. Ver Tabla 1
El estudio también analizó la incidencia que tienen los insumos en la
nitruración líquida convencional y
plasma; según los resultados, para el
desarrollo de un ciclo de plasma de
5 horas, los insumos tienen un costo
Tabla 1 / Consumo de energía y costo anual para plasma y
nitrocarburación líquida en sales
Duración
(hr)
Ciclos
día
Pot. Nom
(Kw)
E. Consumida
(kw/h)
Costo/Día
($)
Costo/Año
($)
Plasma GSW 150
7
3
10
Tenifer TS/40/30
3
7
33
210
54.600
17.089.800
693
180180
56.396.340
Ahorro
125.580
39.306.540
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estimado de $6.859 por cada ciclo. Por su parte, el precio
del cianuro de sodio líquido para la nitrocarburación con
baño de sales, cuesta aproximadamente US$150 por tonelada; es decir, en precios del 2009 $332.400, lo cual a su
vez equivale a 50 ciclos de nitruración por plasma. En el
caso de industrias de tratamientos grandes, que utilizan
un barril de cianuro para 1.7 ciclos (modelo de horno TS
70/72), cada ciclo de cianuro costaría US$88, equivalentes
a 30 ciclos por plasma.
En un presupuesto básico de nitruración por plasma, según Schlief, para la construcción de un pequeño reactor
de aproximadamente 30 cm de diámetro por 50 cm de
alto y la compra de instrumentos de implementación,
entre ellos una fuente de voltaje tipo GSW150, la inversión total es de alrededor de $72 millones. Por su parte,
para la construcción de un horno de sales en la nitruración líquida, de tamaño igual al reactor, se requieren $7
millones, adicional a esto se debe incluir la compra de
electrodos, la fuente de voltaje y el sistema de control, lo
cual sumaría otros $7 millones, para un total de $14 millones. Con todas las desventajas que tiene este tipo de
proceso para la calidad de la capa nitrurada y los efectos
nocivos al medio ambiente.
Arriba sistema
de nitruración/
nitrocarburación
de difusión
por plasma;
abajo, equipos
nitrocarburación
en baño de sales.
Foto: www.ireap.umd.edu
Foto: www.aimt-group.com
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PROCESOS
Fotos: www.gadgetshog.com
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La nitruración y nitrocarburación
son tratamientos superficiales para
distintos componentes de varios
sectores industriales.
Conviene aclarar que los precios
aquí mencionados son estimaciones
basadas en un ejercicio puntual que,
aunque juicioso y responsable, deben entenderse simplemente como
información de referencia y no sirven para la toma de decisiones industriales; cada compañía, según sus
requerimientos y características de
procesamiento, maneja presupuestos propios y diferentes.
Por ejemplo, en el caso de una inversión inicial para un proceso Tenifer®, acorde a lo presentado por
Böhler Uddeholm Colombia, la inversión inicial si se compara con la
nitrocarburación líquida convencional es mucho más alta, debido a que
se deben usar equipos de medición
muy precisos (medidores de flujos de
aire, equipos para titulación química, reactivos, compresores con deshumidificadores, entre otros), hornos especiales y crisoles fabricados
en titanio, una inversión aproximada de $130 millones, sin contar con
el costo de las sales neutras las cuales tiene la gran ventaja de no degradarse en tan corto tiempo como
ocurre con sales convencionales.
Así mismo, según informó la compañía Tratar S.A., para la construcción
de los dos reactores plasma de alta
capacidad se invirtieron un poco
más de $600 millones. Ahora bien,
lo cierto es que la inversión inicial en
el desarrollo de la nitruración iónica
es mucho mayor que para la nitruración con sales, sin embargo, gracias
al bajo consumo de insumos (energía
y gases), dicho método logra ahorros
que a mediano plazo representan la
recuperación de la inversión.
Fundamentalmente, la nitruración
por plasma es un proceso limpio con
completo control de los parámetros
técnicos, por lo que logra una calidad
excepcional en las piezas nitruradas y
se cumplen las normas medioambientales más estrictas; su limitación radica en el alto costo inicial. Por su parte,
el método con sales por su velocidad
de producción e inversión es más
económico, sin embargo, la calidad
de la capa es menor y es altamente
contaminante.
En este sentido, aunque la legislación colombiana, por ahora es
flexible ante el tema ambiental y el
problema del manejo inadecuado
de desechos tóxicos como el cianuro, es inminente que, por ejemplo,
con la firma de Tratados de Libre
Comercio, la industria nacional de
tratamientos térmicos debe ponerse
a la par de las exigencias internacionales en este aspecto tal y como lo
están haciendo Tratar S.A. y Böhler
Uddeholm Colombia, lo que en últimas significa gastos adicionales para
el proceso con sales como la implementación de un sistema de tratamiento de aguas.
En la mejora en la calidad de los
productos tratados y en la conservación del medio ambiente es donde
la nitruración por plasma cobra su
mayor importancia, ya que los desechos producidos por este método no
son tóxicos ni contaminantes, por lo
tanto la inversión a mediano y largo
plazo se reduce y al final este método se convierte en una alternativa
digna de evaluar por parte de los
industriales colombianos.
Fuentes
• Andrés Bernal D. MsC. Materials Processing
KTH, Estocolmo – Suécia y Subgerente de
Tratar S.A. [email protected]
• Carlos Augusto Robledo. Ingeniero Metalúrgico. Jefe de Tratamientos Térmicos, Böhler
Uddeholm Colombia S.A. carlos.robledo@
bohlercolombia.com
• Jairo Arturo Escobar Gutiérrez. Dr. Ing. Profesor Asociado Facultad de Ingeniería Mecánica
de la Universidad de los Andes. jaiescob@
uniandes.edu.co
• SCHLIEF CARVAJAL. Juan Guillermo. Ing. Mecánico. Estudio Experimental de la Nitruración por Plasma y comparación con el proceso
industrial Tenifer en Colombia para Aceros
de Herramienta. Departamento de Ingeniería
Mecánica. Universidad de los Andes. 2009.
Bogotá. DC. http://biblioteca.uniandes.edu.
co/Tesis_22009_segundo_semestre/848.pdf
• VIZCAÍNO CÉSPEDES Darío. Ing. Mecánico.
Estudio de La Nitruración por Plasma y Diseño
y Construcción y Montaje de Equipo para el
Tratamiento de Aceros Herramienta.
• www.tratar.com.co - www.trateriber.es www.trames.com.mx - www.grupttc.com
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