La nitruración es un tratamiento termoquímico de baja temperatura que se utiliza para mejorar la dureza superficial, la resistencia al desgaste y la resistencia a la fatiga de los componentes de acero. Gracias a su baja temperatura de procesamiento, garantiza una excelente estabilidad dimensional, lo que la hace esencial para piezas de precisión como husillos de máquinas herramienta, cigüeñales y matrices de extrusión, donde se requiere alta durabilidad y mínima deformación.
¿Qué es la nitruración?
La nitruración es un proceso de tratamiento térmico químico en el que se infiltran átomos de nitrógeno en la capa superficial de una pieza de trabajo a una temperatura determinada.
Tras la nitruración, las piezas de acero forman una capa superficial compuesta de nitruros, que presenta una dureza muy alta (1000–1100 HV) y la mantiene inalterada incluso a 600–650 °C, lo que proporciona una excelente resistencia al desgaste y dureza en caliente. Tras la nitruración del acero, el volumen de la capa nitrurada aumenta, generando una tensión de compresión en la superficie que mejora significativamente la resistencia a la fatiga. Además, la baja temperatura de nitruración minimiza la distorsión de la pieza. La superficie nitrurada forma una densa capa de nitruro con alta estabilidad química, que ofrece buena resistencia a la corrosión y estabilidad en agua, vapor sobrecalentado y soluciones alcalinas.
Los aceros de nitruración incluyen 35CrAlA y 38CrMoAlA. Antes de la nitruración, las piezas deben someterse a un proceso de temple y revenido para estabilizar la microestructura del núcleo y lograr buenas propiedades mecánicas integrales, garantizando así cambios dimensionales mínimos durante el servicio, sin necesidad de tratamiento térmico adicional después de la nitruración.
La nitruración se aplica principalmente a piezas de maquinaria que requieren alta resistencia a la fatiga, buena resistencia al desgaste y dimensiones precisas, como husillos y manguitos de mandrinadoras y rectificadoras, engranajes sinfín y cigüeñales de motores diésel. Gracias a su excelente pulido superficial y cierta resistencia a la corrosión, también se utiliza en moldes de plástico.
Los métodos de nitruración que se utilizan actualmente incluyen principalmente la nitruración gaseosa y la nitruración por plasma.
Nitruración de gas
La nitruración gaseosa, también conocida como nitruración blanda gaseosa, se realiza en un horno de cuba previamente desaireado. La pieza de trabajo desengrasada y limpia se coloca en un horno sellado, se calienta y se introduce amoníaco gaseoso. El amoníaco se descompone por encima de 380 °C para producir átomos de nitrógeno activo según la siguiente reacción:
2NH₃ → 3H₂ + 2[N]
Los átomos de nitrógeno activo son absorbidos por la superficie del acero, formando una solución sólida y nitruros (como el AlN). A medida que se prolonga el tiempo de nitruración, los átomos de nitrógeno se difunden gradualmente hacia el interior, dando lugar a una capa nitrurada de cierta profundidad.
Las temperaturas habituales de nitruración son de 550 a 570 °C, y el tiempo de nitruración depende de la profundidad de capa requerida. Generalmente, la profundidad de la capa nitrurada es de 0.4 a 0.6 mm y requiere de 40 a 70 horas, por lo que el ciclo de producción de la nitruración gaseosa es relativamente largo.
El proceso de nitruración gaseosa consta de cuatro etapas: preparación previa a la nitruración, evacuación y calentamiento, mantenimiento de la nitruración y enfriamiento. Para garantizar una nitruración uniforme, las piezas deben desengrasarse con gasolina o alcohol antes de cargarlas. La superficie limpia debe estar libre de óxido y contaminantes. En áreas que no requieren nitruración, se pueden utilizar medidas antinitruración como el estañado, el cobreado o la aplicación de recubrimientos. Se deben evitar las piezas nitruradas, ya que las aristas afiladas suelen formar capas más profundas y frágiles. Tras la nitruración, las piezas deben manipularse con cuidado al retirarlas para evitar colisiones; las piezas delgadas y de precisión deben colgarse para su enfriamiento y así evitar deformaciones y nuevas tensiones.
Debido a la baja eficiencia de descomposición del amoníaco, la nitruración gaseosa es generalmente adecuada para nitrurar aceros que contienen elementos como Al, Cr y Mo. Se utiliza principalmente para piezas de precisión con alta resistencia al desgaste y requisitos de precisión dimensional, piezas importantes bajo cargas alternas y componentes resistentes al calor y al desgaste, como husillos de máquinas perforadoras, engranajes de precisión de alta velocidad, cigüeñales de motores diésel de alta velocidad, válvulas y moldes de fundición a presión.
Nitruración por plasma
La nitruración por plasma se realiza utilizando el fenómeno de descarga luminiscente entre la pieza de trabajo (cátodo) y el ánodo bajo un cierto nivel de vacío, por lo que también se conoce como nitruración por plasma con descarga luminiscente.
Crédito de la imagen: ScienceDirect
La pieza metálica se coloca como cátodo en un recipiente a presión negativa que contiene un medio nitrogenado. Al energizarse, los átomos de nitrógeno del medio se ionizan, formando una región de plasma entre el cátodo y el ánodo. Bajo el intenso campo eléctrico de la región de plasma, iones positivos de nitrógeno e hidrógeno bombardean la superficie de la pieza a alta velocidad. Este bombardeo iónico provoca la pulverización atómica en la superficie, purificándola, mientras que el nitrógeno se infiltra en ella mediante adsorción y difusión.
En comparación con la nitruración gaseosa convencional, la nitruración por plasma ofrece las siguientes ventajas:
- Ciclo de nitruración acortado adecuadamente.
- Reducción de la fragilidad en la capa nitrurada.
- Ahorro en consumo de energía y amoniaco.
- Capacidad de proteger áreas que no requieren nitruración para tratamiento localizado.
- La purificación de superficies mediante bombardeo de iones elimina las películas pasivas, lo que permite la nitruración directa de aceros inoxidables y resistentes al calor.
- Espesor de capa nitrurada y microestructura controlables.
Las desventajas incluyen una alta inversión en equipos, una distribución desigual de la temperatura y requisitos operativos estrictos.
La nitruración por plasma es adecuada para piezas de alta velocidad y carga ligera que requieren resistencia al desgaste y la corrosión, así como para componentes de tipo varilla delgada de alta precisión, como husillos de máquinas perforadoras, tornillos de avance de máquinas herramienta de precisión, vástagos de válvulas y válvulas.
Aceros para nitruración
Para lograr una capa nitrurada de alta dureza y resistencia al desgaste en la superficie del acero, es necesario utilizar aceros aleados que contengan elementos de aleación específicos para la nitruración. Esto se debe a que los nitruros formados con ciertos elementos de aleación son mucho más estables que los nitruros de hierro y se distribuyen con alta dispersión en la capa nitrurada, lo que resulta en una dureza muy alta.
Los elementos de aleación más comunes incluyen Al, Cr, V, Mo, Mn y W. Los aceros de nitruración más utilizados son 38CrMoAl y 35CrAl, que proporcionan una dureza superficial y una resistencia al desgaste muy elevadas tras la nitruración. Los aceros para mejorar la resistencia a la fatiga incluyen 38CrA, 40CrNiMoA y 18Cr₂Ni₄WA; los aceros inoxidables incluyen 45Cr₁₁Ni₄W₂Mo y Cr₁₄Si₄Mn; los aceros para matrices incluyen 3Cr₂W₄V; y los aceros para resortes incluyen 50CrVA.
Tratamiento térmico preparatorio para la nitruración
La ruta de procesamiento típica para piezas nitruradas es: forjado → recocido (o normalizado + revenido a alta temperatura) → mecanizado en bruto → temple y revenido → semiacabado → alivio de tensiones → acabado → nitruración → rectificado o pulido final.
Como se puede ver en la ruta, los tratamientos térmicos preparatorios antes de la nitruración incluyen recocido (o normalización + revenido a alta temperatura), temple y revenido, y alivio de tensiones.
Estos pasos preparan para la nitruración, ya que las piezas de trabajo generalmente no se someten a ningún mecanizado adicional después de la nitruración.
El recocido y la normalización refinan la microestructura, mejoran la maquinabilidad, eliminan tensiones internas y preparan para el temple y revenido.
Templado y revenido
El temple y revenido es un tratamiento térmico preparatorio fundamental para obtener una microestructura de sorbita uniforme y fina. Esto no solo garantiza unas propiedades mecánicas óptimas y completas en el núcleo, sino que también proporciona la preparación microestructural necesaria para la nitruración.
Los parámetros de temple y revenido afectan significativamente la calidad de la nitruración. Para el acero 38CrMoAlA, los puntos críticos son más altos: Ac1 = 790 °C, Ac3 = 900 °C, Ar1 = 740 °C. Además, el aluminio estabiliza la ferrita, haciéndola menos soluble en austenita durante el calentamiento, por lo que las temperaturas de normalización y temple deben ser elevadas, con tiempos de mantenimiento aproximadamente 1.5 veces mayores que para los aceros estructurales de aleación general.
Si la temperatura de temple es demasiado baja o el tiempo de mantenimiento es insuficiente, lo que provoca una disolución incompleta de la ferrita en la austenita, la ferrita libre en la superficie durante la nitruración aumentará considerablemente la fragilidad de la capa. Por el contrario, una temperatura de temple excesivamente alta engrosa los granos de austenita, provocando que los nitruros se extiendan preferentemente a lo largo de los bordes de grano, lo que resulta en estructuras onduladas o reticulares pronunciadas en la capa nitrurada.
Temperamento La temperatura también influye considerablemente en la calidad de la nitruración. Determina la dureza tras el temple y revenido: una temperatura de revenido más alta disminuye la dureza, reduce la dispersión de carburo en la matriz, facilita la infiltración de nitrógeno durante la nitruración, aumenta la velocidad de penetración y profundiza la capa. A medida que aumenta la temperatura de revenido, la dureza de la capa nitrurada disminuye, con una ligera reducción de la dureza del núcleo.
Para piezas de formas complejas, se requiere un recocido de alivio de tensiones para eliminar las tensiones inducidas por el mecanizado y reducir la distorsión durante la nitruración. Para evitar la reducción de la dureza del temple y revenido, la temperatura de alivio de tensiones debe ser de 40 a 70 °C inferior a la temperatura de revenido, con un tiempo de mantenimiento adecuadamente prolongado y un enfriamiento lento por debajo de 150 °C antes de su extracción.
Tabla 1: Procesos de tratamiento térmico preliminar para la nitruración gaseosa
| Material | Proceso de tratamiento térmico preliminar |
| Piezas de acero estructural general / Piezas con requisitos de baja tenacidad al impacto | Temple y revenido (Q&T). La temperatura de revenido a alta temperatura debe ser de 20 a 40 °C superior a la de nitruración; el tiempo de mantenimiento no debe ser excesivo. |
| Acero 38CrMoAl | Se puede utilizar la normalización, pero la velocidad de enfriamiento debe ser rápida. La normalización está prohibida para piezas con secciones transversales grandes. Se debe utilizar Q&T; de lo contrario, los nitruros aciculares podrían no aparecer fácilmente en la capa nitrurada. En el caso de los aceros para herramientas y matrices, el temple y revenido se suelen realizar antes de la nitruración; el recocido está prohibido. |
| Piezas delgadas, de paredes delgadas, complejas y de precisión | Se requieren uno o más tratamientos de alivio de tensiones antes de la nitruración. La temperatura de alivio de tensiones suele ser inferior a la de revenido, pero superior a la de nitruración. |
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