SolNit®: un proceso termoquímico de endurecimiento superficial económico para los aceros inoxidables
Bernd Edenhofer, Marcos Garcia Jimenez
Ipsen International GmbH, Kleve/D

1. Fundamentos

Dentro del rango de temperaturas situado entre 500ºC y 1.000ºC no es posible realizar una carburización y nitruración de aceros inoxidables sin una pérdida considerable de resistencia a la corrosión. La causa de ello es la solubilidad extremadamente baja del nitrógeno y el carbono en estos aceros en el rango de temperatura mencionado, lo que provoca una precipitación de carburos y nitruros de cromo que destruye la capa pasiva de óxido de cromo.
Una carburización en el rango de 800 a 1.150°C lleva a la formación de carburos del tipo Cr23C6 o Cr7C3. La nitruración entre 480 y 900°C produce nitruros del tipo CrN y Cr2N
Una posibilidad de evitar la formación de precipitados de carburo y nitruro de cromo es reducir la temperatura de carburización o nitruración hasta valores que no permitan la formación de los mismos. Este es el caso del rango de temperaturas situado entre 350 y 400ºC. Los procesos de Kolsterising[1] y Nivox[2] hacen uso de este rango de temperaturas produciendo en tiempos de 30 a 60 horas capas de cementación con una profundidad de 10 a 30 _m.
La producción de capas endurecidas mucho más profundas sólo ha sido posible gracias al desarrollo de un nuevo método para los procesos de nitruración de solubilidad llamado SolNit®. La teoría en que se basa y sus fundamentos tanto metalúrgicos como de proceso han sido desarrollados por el profesor H. Berns y sus compañeros de la Universidad de Bochum (Alemañia)[3]. La parte del trabajo realizada por IPSEN INTERNATIONAL GmbH ha sido la adaptación de esta técnica a una escala mayor para su aplicación industrial[4]. Este proceso hace empleo de la característica de los aceros de alta aleación con un contenido especialmente alto en cromo, manganeso y molibdeno de presentar un incremento de la solubilidad del nitrógeno en el rango de temperaturas superiores a 1.050ºC. La fig. 1 representa la influencia del contenido en cromo en la solubilidad del carbono y el nitrógeno para una temperatura de 1.100ºC[4].

Fig. 1: Influencia del contenido en cromo sobre la solubilidad de C y N en la austenita a 1.100°C[4]

2. Tecnología de proceso
La tecnología de proceso del método SolNit® de nitruración de solubilidad es comparativamente sencilla.
Como gas de proceso no se utiliza el habitual amoniaco gaseoso, sino el nitrógeno. El nitrógeno se utiliza habitualmente como atmósfera protectora sin capacidad de nitruración. Pero a temperaturas superiores a 1.050°C la molécula del nitrógeno, tan estable en otras condiciones, se disocia sobre la superficie del metal para formar nitrógeno atómico. A pesar de la capa pasiva de óxido de cromo que presenta la superficie de los aceros inoxidables, el nitrógeno atómico disociado es capaz de penetrar en la superficie para producir una nitrogenación del acero
El contenido en nitrógeno obtenido depende de los tres factores siguientes:
­ Nivel de aleación del acero inoxidable
­ Temperatura de nitruración
­ Presión parcial del nitrógeno gaseoso en el horno
Según la ley de Sievert, el contenido superficial en nitrógeno (NS) es proporcional a la raíz cuadrada de la presión parcial del nitrógeno gaseoso:
Ns ~
Según la 2ª ley de Ficks, la profundidad de penetración del nitrógeno en el acero, _N, es proporcional a la raíz cuadrada del tiempo de nitruración:
_N ~
Para obtener la mayor concentración posible de nitrógeno en superficie, es necesario conocer el límite de solubilidad del nitrógeno en la austenita para el acero inoxidable correspondiente y la temperatura de nitruración prevista. Este se calcula para cada acero inoxidable por medio del programa Thermocalc. En los diagramas de equilibrio de la fig. 2 aparecen representados los límites de solubilidad de dos aceros inoxidables diferentes [3].

Fig. 2: Ejemplo de diagramas de equilibrio de 2 aceros inoxidables[3]

Datos de proceso típicos del proceso SolNit® son:
­ Temperaturas entre 1.050 y 1.150°C
­ Presión parcial del nitrógeno entre 0,1 y 2,0 bares
­ Tiempos de difusión entre 15 min. y 4 horas
Con este rango de datos del proceso se pueden obtener profundidades de la capa endurecida de 0,2 a 2,5 mm. La dureza superficial de aceros inoxidables martensíticos sometidos a este método de nitruración se encuentra entre 54 y 61 HRC. La de aceros austeníticos o dúplex (austenítico-ferríticos) se encuentra dentro del rango de 200 a 350 HV.
Incluso en el caso de que el ciclo de nitruración de solubilidad dure varias horas, el consumo de nitrógeno es prácticamente nulo.
Por tanto, el proceso SolNit® es el único proceso termoquímico en el que los costes del gas de proceso son básicamente nulos, batiendo así a todos los demás procesos de baja presión e incluso de plasma.
Este método consta de dos procesos de nitruración de solubilidad básicos:
­ SolNit M (para aceros inoxidables martensíticos)
­ SolNit A (para aceros austeníticos y dúplex)
Una etapa importante del proceso SolNit® es la de enfriamiento. Debido a que la solubilidad del nitrógeno en la austenita de los aceros inoxidables disminuye al disminuir la temperatura, el enfriamiento rápido de las piezas debe producirse a una velocidad suficiente para evitar la precipitación de nitruros de cromo. Es por tanto necesario enfriar en aceite o en gas a alta presión. La fig. 3 muestra el ciclo de nitruración de solubilidad básico del método para aceros inoxidables martensíticos. El enfriamiento rápido produce martensita nitrogenada con una elevada proporción de austenita residual. Un tratamiento criogénico y un revenido posteriores a temperaturas de hasta 450°C contribuyen de forma efectiva a reducir la austenita residual.

Fig. 3: ciclo básico del método de nitruración de solubilidad para aceros inoxidables martensíticos

Debido a las elevadas temperaturas aplicadas en este método de nitruración de solubilidad, se produce un cierto crecimiento del grano. Si la ductilidad de la capa endurecida de martensita es de vital importancia para ciertas aplicaciones, el crecimiento del grano puede ser eliminado con un doble proceso de templado.
Después del temple, la dureza se acerca a 600 HV y aumenta hasta por encima de 700 HV, alrededor de 60 HRc, después de un tratamiento bajo cero (criogénico) y un revenido a 450ºC (fig. 4)[3].

Fig. 4: curvas de dureza y nivel de nitrógeno, así como de tensiones residuales obtenidas por el método de nitruración de solubilidad para aceros inoxidables martensíticos[3]
El proceso SolNit® para aceros austeníticos es más sencillo, constando únicamente de calentamiento, nitruración y enfriamiento.
El crecimiento del grano se da también en los aceros austeníticos pero, en este caso, no se puede mejorar con un proceso térmico. En los aceros bifásicos austenítico-ferríticos (aceros dúplex) no se produce apenas crecimiento del grano.
A pesar de la elevada absorción de nitrógeno en los aceros austeníticos, el aumento de la dureza es relativamente bajo (fig. 5). En cualquier caso, tiene como consecuencia una mejora sorprendente de ciertas propiedades.


Fig. 5: curvas de dureza y de nivel de nitrógeno de solubilidad obtenidas al aplicar el método de nitruración a 2 aceros austeníticos y 1 acero dúplex [3]

3. Mejora de las propiedades
En aceros austeníticos y austenítico-ferríticos la elevada concentración superficial de nitrógeno, que puede alcanzar hasta 0,9 % en peso, puede producir
­ un aumento considerable de la resistencia a la corrosión,
­ un reducido coeficiente de fricción,
­ una menor corrosión por fricción de las piezas tratadas.
La mayor resistencia de la capa superficial producida por el incremento de la dureza en 50 a 150 HV conlleva una mayor resistencia
­ al desgaste,
­ a la cavitación y
­ a la erosión.
Esto se ha comprobado especialmente en componentes de máquinas hidráulicas.
En los aceros inoxidables martensíticos, el aumento del contenido superficial en nitrógeno (sin precipitados ricos en cromo) también produce una mayor resistencia a la corrosión. El multiple incremento de la resistencia superficial debido a la formación de martensita nitrogenada produce
­ una dureza superficial considerablemente mayor,
­ una gran mejora de la resistencia a la corrosión,
­ tensiones de compresión en la capa superficial,
­ un incremento de la resistencia a la fatiga,
­ un gran aumento de la resistencia ante la cavitación y la erosión,
­ un pronunciado aumento de la resistencia a calor.
Esta mejora de las propiedades superficiales genera un amplio rango de aplicaciones para los aceros inoxidables martensíticos sometidos a tratamiento por el proceso SolNit-M en componentes de cajas de engranajes, máquinas textiles, herramientas y máquinas para el procesado de alimentos y muchos más.
El tratamiento SolNit incrementa la resistencia a la corrosión tanto de los aceros inoxidables martensíticos como de los aceros inoxidables austeníticos. La difusión de átomos de nitrógeno en la capa pasiva de óxido de cromo aumenta la estabilidad de la misma. Esto reduce considerablemente la densidad de corriente pasiva en ácido sulfúrico y la resistencia de los aceros inoxidables martensíticos en ensayos de niebla salina y de agua marina . Los aceros austeníticos sometidos al tratamiento SolNit A muestran una resistencia especialmente elevada al ataque del medio sulfúrico.
4. Tecnología de la instalación
La elevada temperatura, superior a 1.050°C, del proceso SolNit® y una presión parcial del nitrógeno que puede descender hasta 0,1 bar exigen el empleo de un horno de vacío. Los hornos de vacío de pared fría con cámara caliente de grafito son la mejor opción. Estos están especialmente adaptados para superar los problemas de pasivación relacionados con los aceros inoxidables[4].
Gracias a la tecnología de enfriamiento con gas alta presión, en el horno de vacío también se puede realizar directamente el enfriamiento de los componentes sometidos al tratamiento SolNit®, sin que sea necesario mover la carga. En este proceso se utilizan hornos de vacío de una sola cámara con sistemas de enfriamiento por gas a alta presión del tipo TurboTreater® y Turbo2Treater (fig. 6), así como del tipo VUTK.

Fig. 6: esquema de horno de vacío de una sola cámara Turbo_Treater® con sistema de enfriamiento por gas a alta presión

5. Aplicaciones
Los aceros inoxidables se usan fundamentalmente en:
­ la industria química,
­ la industria textil,
­ la industria alimentaria,
­ la construcción de maquinaria,
­ la arquitectura,
­ los aparatos de uso doméstico y
­ la medicina.
Dentro de estos campos, los siguientes componentes han mostrado un excelente comportamiento después haber sido sometidos al tratamiento SolNit®:
­ Herramientas de máquinas para el procesado de plásticos
­ Componentes de cajas de engranajes
­ Rodamientos de turborreactores
­ Bombas, válvulas de máquinas hidráulicas
­ Instrumentos quirúrgicos
­ Cuchillería
­ Implantes
­ Accesorios de instalaciones de agua
­ Membranas
De esta gran variedad de aplicaciones se presentan a continuación tres usos industriales del proceso SolNit® en la actualidad[5].
La fig. 7 muestra ruedas dentadas de diámetro 130 mm y módulo 2,5 producidas a partir del material X15Cr13. El tratamiento SolNit M a 1.100ºC con un tiempo de nitruración de 60 min. produce una profundidad de la capa de nitruración de 0,6 mm. Después de un tratamiento criogénico a ­40ºC y un templado posterior a 150ºC, la dureza superficial alcanza valores de 50HRC con una dureza del núcleo de 46 HRC.

La fig. 8 muestra boquillas de inyección fabricadas con el material X14CrMoS17. Éstas fueron tratadas a 1.150ºC, sometidas a un tratamiento bajo cero a ­80ºC y a un revenido a 150ºC. Su dureza es de 655 HV10 y la profundidad de la capa de nitruración es de unos 0,7 mm. La uniformidad del efecto de nitruración que produce el proceso SolNit queda muy bien documentado con esta pieza, como muestra el resultado de la producción de lotes completos de la misma. Los orificios de inyección de estas boquillas tienen un diámetro de tan solo 0,3 mm. A pesar de ello, toda la superficie de las mismas muestra una nitruración de profundidad extremadamente uniforme, incluyendo los orificios de inyección de reducido tamaño.

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