Efecto de la nitruración por plasma en la microestructura y propiedades mecánicas, tribológicas y corrosivas en un acero AISI 4140 normalizado, templado y revenido

Abstract

The use of surface treatments opens up the possibilities to increase the performance of the mechanical properties of materials. Thus, the substrate can be designed to have resistance and toughness since a protective layer can be applied to the surface responsible for increasing the mechanical, tribological and chemical resistance without modifying the original properties of the base material and thus reducing the use of lubricants, which will represent a lower operating cost. AISI 4140 steel is widely used for different elements of mechanisms, due to the good balance between its mechanical properties and price. For decades, thermochemical treatments such as plasma nitriding have been applied to modify the surface of steels, substantially increase the useful life in terms of wear and fatigue resistance, reduce the coefficient of friction, increase surface hardness and improve corrosion resistance. The base material used (AISI 4140 steel) was initially subjected to normalizing, tempering and annealing heat treatments. Subsequently, the parts were nitrided at low temperature. A mechanical, corrosive, tribological and microstructural characterization was carried out using X-ray diffraction (XRD), optical microscopy (OM) and scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectroscopy (EDS), Vickers microhardness, potentiodynamic tests, pin-on-disk and scratch wear tests. The objective of this work was to perform low-temperature nitriding treatments to minimize the production costs of nitrided parts without sacrificing their benefits. The work carried out can be divided into two stages. The first was to achieve nitrided layers of several microns thick on 4140 steel and the second was to perform a microstructural, mechanical, tribological and corrosive characterization to compare the results with steels without the nitriding treatment. The results show that the properties analyzed are related to the surface characteristics.

El uso de tratamientos superficiales abre las posibilidades para aumentar el rendimiento de las propiedades mecánicas de los materiales, así, el sustrato se puede diseñar para tener resistencia y tenacidad ya que en la superficie puede aplicarse una capa protectora responsable del incremento de la resistencia mecánica, tribológica y química sin modificar las propiedades originales del material base y con esto disminuir el uso de lubricantes, lo que representará un menor costo de operación. El acero AISI 4140 es ampliamente utilizado para distintos elementos de mecanismos, debido al buen equilibrio entre sus propiedades mecánicas y precio. Durante décadas, se han aplicado tratamientos termoquímicos como la nitruración por plasma, para modificar la superficie de los aceros, aumentar sustancialmente la vida útil en términos de resistencia al desgaste y a la fatiga, reducir el coeficiente de fricción, incrementar la dureza superficial y mejorar la resistencia a la corrosión. El material base utilizado (acero AISI 4140) fue sometido inicialmente a tratamientos térmicos de normalizado, templado y revenido. Posteriormente, las piezas fueron nitruradas a baja temperatura. Se realizó una caracterización mecánica, corrosiva, tribológica y microestructural, mediante Difracción de Rayos X (DRX), Microscopía Óptica (MO) y Microscopía Electrónica de Barrido (MEB), Espectroscopía de Energía Dispersiva (EDS), Microdureza Vickers, ensayos potencio dinámicos, ensayos de desgaste Pin-on-Disk y Scratch. El objetivo de este trabajo fue realizar tratamientos de nitruración a baja temperatura para minimizar los costos de producción de piezas nitruradas sin sacrificar sus beneficios. El trabajo realizado se puede dividir en dos etapas. La primera fue lograr capas nitruradas de varias micras de espesor sobre el acero 4140 y el segundo fue realizar una caracterización microestructural, mecánica, tribológica y corrosiva para comparar los resultados con aceros sin el tratamiento de nitruración. Los resultados muestran que las propiedades analizadas se relacionan con las características de la superficie.