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

Abstract

The use of superficial treatments for engineering materials opens the possibilities to increase the performance of their mechanic properties. In this way, the substrate can be designed to have strength and toughness, while on the surface, a protective layer can be applied (by diffusion or deposition) to improve mechanical, tribological and chemical resistance. In addition, it is possible to reduce the use of liquid or solid lubricants, which represents a lower cost. Nitriding is a thermochemical process used in steels to modify the properties on the surface of a material by the diffusion of nitrogen, which generates a gradient of nitrogen concentration from the surface until reaching a certain depth in the substrate. During contact with the surface of the sample, the atomic species are adsorbed and a concentration profile is established; when the concentration of the surface reaches the corresponding concentration of equilibrium, a continuous and thin layer of nitride is formed. This concentration gradient results in the formation of compact nitride layers and a nitrogen diffusion zone. The nitriding process of a carbon steel produces the following phases: ε Fe2-3N y γ´Fe4N or a nitrogen solid solution in ferrite α phase. The nucleation of iron nitrides depends on the nitrogen concentration on the sample´s surface, time and temperature.

El uso de tratamientos superficiales para materiales ingenieriles abre las posibilidades para aumentar el rendimiento sus propiedades mecánicas. De esta manera, el sustrato se puede diseñar para tener resistencia y tenacidad, mientras que en la superficie puede aplicarse una capa protectora (por difusión o deposición) que sea la responsable del incremento de la resistencia mecánica, tribológica y química como: desgaste, fatiga e inhibición a la corrosión, además, se puede disminuir el uso de lubricantes líquidos o sólidos, lo que representa un menor costo. La nitruración es un proceso termoquímico utilizado en aceros para modificar las propiedades en la superficie de un material mediante la difusión de nitrógeno, lo cual genera un gradiente de concentración de nitrógeno desde la superficie hasta alcanzar cierta profundidad en el substrato. Durante el contacto con la superficie de la muestra las especies atómicas son adsorbidas y se establece un perfil de concentración; cuando la concentración de la superficie alcanza la correspondiente concentración de equilibrio, se forma una continua y delgada capa de nitruro. Este gradiente de concentración da como resultado la formación de capas compactas de nitruros, además de una zona de difusión de nitrógeno. La nitruración de acero al carbono produce las siguientes fases: ε-Fe2-3N y γ´-Fe4N o una solución sólida de nitrógeno en la ferrita α. La nucleación de nitruros de hierro es dependiente de la concentración de nitrógeno sobre la superficie de la muestra, tiempo de permanencia y la temperatura. Esta configuración de nitruros de hierro produce una mejora notable en las propiedades tribológicas y de la fatiga en el material.