5. Nitrocarburación en Baño de Sales

Nitrocarburación en Baño de Sales: Proceso Tenifer

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NITROCARBURACIÓN EN BAÑO DE SALES: PROCESO TENIFER

Ing. Miguel Carrión CastillaAceros Bohler del Perú S.A.

[email protected]

El proceso de nitrocarburación TENIFER (MELONITEo TRUFFTRIDE como se le conoce en otros países),comprende una secuencia de procedimientos que sepueden esquematizar en la Figura 1.

l Excelentes propiedades de deslizamiento junto conuna elevada resistencia al desgaste, hasta una tem-peratura de trabajo de aproximadamente 600 ºC.

l En la capa nitrocarburada no se produce despren-dimientos o fracturas.

l Considerable elevación de la resistencia a la fati-ga frente a esfuerzos de flexión y torsión.

l Aumento de la resistencia al rodamiento y de laresistencia a la flexión de la raíz del diente en losengranajes.

l Aumento de la resistencia a la corrosión atmosféri-ca, así como la producida por ambientes marinos.

l Escasa formación de óxidos por rozamiento en pie-zas ajustadas.

l No provoca deformación en las piezas (siempre esrecomendable distensionar inmediatamente luegodel desbaste o desbronque).

T T ° ° C C

Tiempo Tiempo

480-600 480-600 TENIFER

AB1 AB1

OIL OIL

AB1 AB1

pulido pulido

Figura 1: Proceso Tenifer típico. Elaboración propia.

La nitrocarburación Tenifer consiste en la difusión denitrógeno en el acero, formándose dos capas bien di-ferenciadas: la exterior llamada "capa de compues-tos" y a continuación la "capa de difusión". La durezay el espesor total de las capas dependen del tipo deacero1,2, como se puede observar en la Figura 2 y Fi-gura 3.

Figura 2: Variación de la dureza alcanzada en función de laprofundidad para diferentes aceros. Elaboración propia. Fuente2.

Algunas de las características de las piezasnitrocarburadas son:

Figura 3: Variación de la profundidad de la capanitrocarburada en función del tiempo para diferentes aceros.

Elaboración propia. Fuente2.

Las propiedades que otorga el proceso denitrocarburación Tenifer a la superficie de las piezaslo convierte en uno de los más requeridos para la fa-bricación de partes de máquinas, herramientas, ma-

Avances en tratamientos térmicos

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trices de inyección de plástico, matrices de corte yestampado, aceros rápidos y aceros para trabajo encaliente.En particular para aplicaciones en maquinaria comoen vástagos, cigueñales, bombas o algunos pines entreotros; el proceso de nitrocarburación Tenifer es unaalternativa efectiva y económica al recubrimiento decromo.

1. NITROCARBURACIÓN TENIFER Y LOS RECUBRIMIENTOS DE CROMO

A través de múltiples estudios y experiencias se hapodido comprobar que el proceso de nitrocarburaciónTenifer resulta muy superior a los recubrimientoselectrolíticos de cromo.Las principales ventajas son: el incremento de la re-sistencia fatiga, la ausencia de problemas de fracturao desprendimiento de la capa nitrocarburada, una ele-vada resistencia a la corrosión, gran resistencia aldesgaste y bajo coeficiente de fricción.

1.1 Incremento de la resistencia a la fatigaDiversos estudios en el exterior de antigua data y re-cientes, e incluso investigaciones locales acerca delos efectos de la nitrocarburación Tenifer confirmanque con la penetración de nitrógeno en la capa dedifusión se incrementa la resistencia a la fatiga a laflexión de componentes (debido a que se generanesfuerzos de compresión en la superficie), influenciadapor los siguientes factores1:l La profundidad de la capa de difusión.l La cantidad de nitrógeno presente en la mencio-

nada capa.l En aceros no aleados, el estado de solución del

nitrógeno.

Además, la forma del elemento, estado de la estructu-ra y sus características mecánicas son relevantes.Los procesos de recubrimiento electrolítico de cromono generan ningún incremento de la resistencia a lafatiga (Figura-4), todo lo contrario este podría generarel defecto de fragilidad por hidrógeno.La Figura 4 muestra los resultados de ensayos de fa-tiga en probetas entalladas de SAE 1045. Teniferincrementa la resistencia a la fatiga en un 50%. El re-cubrimiento de cromo duro ha reducido la resistenciaa la fatiga en 20%.

1.2 Buen comportamiento de la capa nitrocarburada

Dado que el procedimiento Tenifer es un proceso dedifusión al interior del acero - material ferroso en ge-neral- forma parte integral de éste, por tanto, no exis-te posibilidades de desprendimiento o fractura de lacapa3.En la Figura 5 se muestra la diferencia entre (a) unproceso de recubrimiento electrolítico de cromo y (b)un proceso de nitrocarburación Tenifer.

Recubrimiento de cromo

Estado Natural

90 min TF1 →AB1(400°C) → W + Lapeado 20min AB1 →W

C45N

Probeta entallada∝=2.∅ = 10/7mm

Res

iste

ncia

a la

fatig

a

500

N/mm2

100

200

300

400

104 105 106 107

Ciclos

Figura 4: Ensayo de fatiga del cromo duroy del Tenifer QPQ. Fuente3

Cr Plate

Tenifer QPQ

a

b

Figura 5: Vistas metalográficas del depósito de cromopor proceso electrolítico y la capa por difusión de nitrógeno

del proceso Tenifer QPQ. Fuente3


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1.3 Elevada resistencia a la corrosiónLos estudios realizados3 muestran que existe una im-portante diferencia en la resistencia a la corrosiónentre los procesos de nitrocarburación Tenifer y elcromado.La Figura-6 muestra la resistencia a la corrosión delos aceros 1018 y 4140 (bonificado) cromados y trata-dos con el proceso Tenifer.

Figura 6: Ensayo de resistencia a la corrosión segúnASTM B117. Fuente3.

De igual forma, en la Figura-7 se puede observar losresultados de otra evaluación comparativa4 de la re-sistencia a la corrosión basada en la norma ASTM B-117 (cámara de niebla salina). Tres tratamientos su-perficiales fueron seleccionados: cromo duro, nique-lado y nitrocarburación Tenifer, aplicados a un eje detimón de la dirección de un vehículo. Se observa lasuperior protección del proceso Tenifer.

100

75

50

25

0

88h88h

88h 88h

72h72h

336h336h

ASTM B -- 117 Niebla salinaÁrea superficial corroída

Cromo duro Niquelado

Temperatura de superficie

Condiciones de ensayo: eje, tiempo (h) en pulg.

Nitruración TENIFER

Figura-7: Ensayo de resistencia a la corrosión. Fuente4

1.4 Gran resistencia al desgaste y bajo coeficiente de fricción

El éxito de sistemas hidráulicos y neumáticos depen-de en otros, de la resistencia al desgaste de los com-ponentes como por ejemplo los pistones y cilindros.Una evaluación realizada en pistones para compararla resistencia al desgaste del cromado y de lanitrocarburación Tenifer se muestra en la Figura-8. Asímismo, en la Figura-9 es posible observar los valoresdel coeficiente de fricción para diferentes procesos: lacementación (carburación), nitrocarburación Tenifer yrecubrimiento de cromo, el coeficiente de fricción tie-ne influencia directa sobre la resistencia al desgastepues dada una carga determina el nivel de la fuerzade fricción asociada a ella.

Condiciones deensayoDiámetro: 2”

Pistón: 6”Presión : 1500 psi

Frecuencia : 3s /cicloDuración:600.000 ciclos

Carga “P”: 18 libras.

Desgaste prom diámetro

Área de max. desgaste


CrPlata(1)

FNCGas(3)

QPQ

(2)

14

12

10

8

6

4

2

0

P

Figura-8: Ensayo de resistencia al desgaste. Fuente3

Figura-9: Variaciones del coeficiente de fricción. Fuente3

TEMPERATURA DEL PROCESODE NITROCARBURACIÓN TENIFER

Recientes investigaciones han demostrado que elproceso de nitrocarburación Tenifer puede ser reali-zado a temperaturas alrededor de los 480ºC. Esto tie-


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ne una gran importancia si consideramos que en esosniveles de temperatura podemos incrementar la re-sistencia al desgaste de aceros austeníticos y pre-servar mayores niveles de resistencia a la tracción enel núcleo de aceros bonificados.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

1 DEGUSSA. PROCESO TENIFER QPQ. Alema-nia.(1990)

2 DEGUSSA. PROCESO TENIFER QPQ. Alema-nia.(1981)

3 James R. Easterday, P.E. Kolene QPQ, An EffectiveSurface Treatment Alternative To Cr Plating. KoleneCorporation. 2001.

4 James R. Easterday, P.E. Kolene QPQ, The KoleneQPQ Process. Kolene Corporation. 2002.

5 Sharon Alwart, Ulrich Baudis. Low-temperatureNitrocarburizing. Advanced Materials & Processes154(3). 41-43. 1998.

6 Thomas Bell, Chen X. Li. Stainless Steel LowTemperature Nitriding and Carburizing. AdvancedMaterials & Processes 160-6. 2002.

Sugerimos visitar las siguientes páginas Web:

http: //www.bohlerperu.com/http: //www.bohlersteel.com/http: //www.bohler-uddeholm.com/http: //www.asminternational.org/http: //www.asminternational.org/MSTemplate.cfm?

Site=Heat_Treating_Societyhttp: //www.astm.org/http: //www.key-to-steel.com


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MACC 05

GRUPO BÖHLER UDDEHOLM

ACEROS BOEHLER DEL PERU S.A.

NITROCARBURACI ÓN EN BAÑO DE SALES

PROCESO TENIFER

NITROCARBURACI ÓN EN BAÑO NITROCARBURACI ÓN EN BAÑO DE SALESDE SALES

PROCESO TENIFER PROCESO TENIFER

ÖHB LERACEROS ESPECIALES

MACC 05

NITRURACIÓN EN BAÑO DE SALES: TENIFER

La nitrocarburación en baño de sales TENIFER La nitrocarburación en baño de sales TENIFER tiene lugar a 580ºC; es un proceso de difusión de tiene lugar a 580ºC; es un proceso de difusión de nitrógeno (preferentemente), que muestra en el nitrógeno (preferentemente), que muestra en el caso de los baños de sales Tenifer la siguiente caso de los baños de sales Tenifer la siguiente reacción abreviada:reacción abreviada:

2 CN + O2 CN + O22 àà 2NCO2NCO--

2CNO2CNO-- + O+ O22 àà COCO3322-- + CO + 2N+ CO + 2N

xFexFe + N + N àà FeFexxNN : : NitruroNitruro de hierrode hierro

PROCESOPROCESOPROCESO


MACC 05

NITRURACIÓN EN BAÑO DE SALES: TENIFER

PROCESO: ESQUEMAPROCESO: ESQUEMAPROCESO: ESQUEMA


TT °°CC

Tiempo tTiempo t

480-600480-600TENIFER

AB1AB1

OILOIL

AB1AB1

pulidopulido

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• AUMENTA DUREZA SUPERFICIAL: DOS CAPAS

• AUMENTA RESISTENCIA AL DESGASTE

• RESISTENCIA A LA CORROSION

• DEFORMACION CASI NULA: ALIVIO DE

TENSIONES

• RESISTENCIA A LA FATIGA

•• AUMENTA DUREZA AUMENTA DUREZA SUPERFICIAL:SUPERFICIAL: DOS CAPASDOS CAPAS

•• AUMENTA RESISTENCIA AL DESGASTEAUMENTA RESISTENCIA AL DESGASTE

•• RESISTENCIA A LA CORROSIONRESISTENCIA A LA CORROSION

•• DEFORMACION CASI NULA: ALIVIO DE DEFORMACION CASI NULA: ALIVIO DE

TENSIONESTENSIONES

•• RESISTENCIA A LA FATIGARESISTENCIA A LA FATIGACAPA DECAPA DE

COMPUESTOSCOMPUESTOS

CAPA DECAPA DEDIFUSIONDIFUSION

ACEROACERO

ÖHÖHBB LERLERACEROS ESPECIALESACEROS ESPECIALES

NITRURACIÓN EN BAÑO DE SALES: TENIFERNITRURACIÓN EN BAÑO DE SALES: TENIFER

PROPIEDADES:PROPIEDADES:PROPIEDADES:

MACC 05


TOTAL DE CAPA NITRURADATenifer 580 C

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 0,5 1 2 3Tiempo de tratamiento en horas

Cap

a ni

trur

ada

tota

l en

mm

o

E 920

V 945

34Cr4

V 320

50CrV4

E 115

V 155

K 100W 302

GGA 604

NITRURACIÓN EN BAÑO DE SALES: TENIFERNITRURACIÓN EN BAÑO DE SALES: TENIFERNITRURACIÓN EN BAÑO DE SALES: TENIFER

MACC 05

DISTRUBUCIÓN DE DUREZATenifer 580 C, 2 horas

200

400

600

800

1000

1200

0 0,1 0,2 0,3 0,4Profundidad de penetración mm

Dur

eza

Vic

kers

H

V0,

3 k

g/m

m2

o

K 100

W 302

0,5

GG V 945

V 320



MACC 05

TENIFER

BUEN COMPORTAMIENTO DE LA CAPABUEN COMPORTAMIENTO DE LA CAPABUEN COMPORTAMIENTO DE LA CAPA



MACC 05

ACEROS PARA ELEMENTOS DE M ÁQUINASÖHB LERACEROS ESPECIALES

ACEROS DE NITRURACIÓNACEROS DE NITRURACIÓNACEROS DE NITRURACIÓN

Todas las aleaciones ferrosas se puedenTodas las aleaciones ferrosas se pueden nitrurarnitrurar ..

LosLos aleantesaleantes particularmente importantes para particularmente importantes para este proceso termoquímico son el cromo y este proceso termoquímico son el cromo y aluminio que formanaluminio que forman nitrurosnitruros muy resistentes.muy resistentes.

El proceso de nitruración TENIFER, consiste en El proceso de nitruración TENIFER, consiste en mantener las piezas en un medio en cual se mantener las piezas en un medio en cual se produce la difusión de nitrógeno en el acero.produce la difusión de nitrógeno en el acero.

La dureza y el espesor total de las capas La dureza y el espesor total de las capas dependen del tipo de acero.dependen del tipo de acero.


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MACC 05

INCREMENTO DE LA RESISTENCIA A LA FATIGAINCREMENTO DE LA RESISTENCIA A LA INCREMENTO DE LA RESISTENCIA A LA FATIGAFATIGA



Recubrimiento de cromo

Estado Natural

90 min TF1 →AB1(400°C) → W + Lapeado 20min AB1 →W

C45N

Probeta entallada∝=2.∅ = 10/7mm

Res

iste

ncia

a la

fatig

a

500

N/mm2

100

200

300

400

104 105 106 107

CiclosMACC 05



RESISTENCIA A LA CORROSI ÓNRESISTENCIA A LA CORROSI ÓNRESISTENCIA A LA CORROSI ÓN

100

75

50

25

0

88h88h

88h 88h

72h72h

336h336h

ASTM B -- 117 Niebla salinaÁrea superficial corroída

Cromo duro Niquelado


Condiciones de ensayo: eje, tiempo (h) en pulg.

Nitruración TENIFER

MACC 05



RESISTENCIA AL DESGASTERESISTENCIA AL DESGASTERESISTENCIA AL DESGASTE

Condiciones deensayoDiámetro: 2”

Pistón: 6”Presión : 1500 psi

Frecuencia : 3s /cicloDuración:600.000 ciclos

Carga “P”: 18 libras.

Desgaste prom diámetro

Área de max. desgaste


CrPlata(1)

FNCGas(3)

QPQ

(2)

14

12

10

8

6

4

2

0

P

MACC 05

ACEROS PARA ELEMENTOS DE M ÁQUINASÖHB LERACEROS ESPECIALES

ACEROS DE NITRURACIÓNACEROS DE NITRURACIÓNACEROS DE NITRURACIÓN

Óptimas propiedades de deslizamiento junto a Óptimas propiedades de deslizamiento junto a una elevada resistencia al desgaste, hasta 500 ºC.una elevada resistencia al desgaste, hasta 500 ºC.

Eleva la resistencia a la fatiga frente a esfuerzos Eleva la resistencia a la fatiga frente a esfuerzos de flexión y torsión.de flexión y torsión.

Muy alta resistencia a la corrosión.Muy alta resistencia a la corrosión.

Estabilidad dimensional, Estabilidad dimensional, las piezas deberán estar las piezas deberán estar distensionadasdistensionadas y limpias.y limpias.

Escasa formación de óxidos por rozamiento en Escasa formación de óxidos por rozamiento en piezas ajustadas.piezas ajustadas.

Se aplica en piezas ya bonificadas y con sus Se aplica en piezas ya bonificadas y con sus dimensiones finales. dimensiones finales.

MACC 05


PLANTA DE TRATAMIENTOS PLANTA DE TRATAMIENTOS TERMICOS TERMICOS -- LIMALIMA

APLICACIONESAPLICACIONESAPLICACIONES

MACC 05

PLANTA DE TRATAMIENTOS PLANTA DE TRATAMIENTOS TERMICOS TERMICOS -- LIMALIMA


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