Nitruración de un acero inoxidable AISI 304 usando residuos de polímeros termoestables como generador de gases nitrurantes

Abstract

La Nitruración es un proceso para endurecimiento superficial de aceros al carbono y aleados en una atmósfera constituida por una mezcla de proporciones adecuadas de gas amoniaco y amoniaco disociado. La nitruración se suele realizar de 500 a 600ºC (nitruración a baja temperatura), por lo tanto no ocurre transformación de fase. La efectividad del proceso depende de la formación de nitruros en el acero por la reacción de nitrógeno con el Fe y ciertos elementos de aleación. Aunque a temperaturas adecuadas y con la atmósfera apropiada, todos los aceros son capaces de formar nitruros de hierro, los mejores resultados se obtienen en aquellos aceros que contienen uno o más de los principales elementos de aleación que forman el nitruro. Estos elementos son el aluminio, cromo, vanadio y molibdeno. Como resultado de la nitruración el acero adquiere alta dureza de la capa superficial que no se altera durante el calentamiento hasta 400 o 450ºC, resistencia elevada al desgaste, baja tendencia a la formación de rayaduras, alto límite de fatiga y alta resistencia a la cavitación. La acción endurecedora que el nitrógeno ejerce sobre el hierro y los aceros, fue descubierta por Fremy hacia el año 1861, cuando experimentaba la acción del amoniaco sobre las piezas de acero calentadas a elevadas temperaturas. A pesar del gran interés que parecía tener el proceso, pasaron muchos años sin que este se pudiera aplicar industrialmente con éxito; debido a la fragilidad con que quedaba la capa superficial dura de los aceros nitrurados. En 1905, Hjalmar Braune descubre la existencia de un eutectoide formado por hierro y nitruro de hierro 𝐹𝑒4𝑁, en las capas frágiles de los aceros nitrurados, que era parecido a la perlita. A este eutectoide se le denominó Braunita en recuerdo de su descubridor. Por el año 1923, Fry hace notar que el problema de fragilidad de la capa exterior de las piezas nitruradas podía ser resuelto con el empleo de una temperatura de nitruración relativamente baja (unos 500ºC aproximadamente) y con el uso de aceros aleados con aluminio, cromo y molibdeno en lugar de aceros ordinarios al carbono. Observando al microscopio óptico la capa periférica de las piezas nitruradas, se ve que, está formada por dos capas de aspecto diferente: una exterior blanca, muy delgada y muy frágil cuyo espesor suele ser de 0.005 mm, y otra interior de mayor espesor, oscura que es verdaderamente importante. Se ha comprobado que esta última capa está formada por nitruros de elementos aleados, y en cambio en la exterior blanca, además de los nitruros aleados aparece también el nitruro de hierro. La capa exterior generalmente es de poco espesor y es perjudicial, por lo que debe evitarse en cuanto sea posible; siendo en cambio la capa interna de mayor espesor formada por nitruros de aluminio, cromo y molibdeno la de mayor importancia en el proceso. Por lo general, la capa exterior blanca es eliminada cuando a las piezas se les da un ligero rectificado. En los procesos industriales esas capas periféricas duras se forman cuando a la temperatura de nitruración (500ºC), se pone el nitrógeno atómico en contacto con la superficie del acero. Entonces el nitrógeno se difunde desde la superficie hacia el interior de las piezas de acero y se forman nitruros sub microscópicos en su zona periférica que son los causantes del aumento de la dureza. El nitrógeno que se emplea en el proceso proviene del amoniaco que, al ponerse a elevada temperatura en contacto con el acero que actúa como un verdadero agente catalizador, se disocia en nitrógeno e hidrógeno atómico produciéndose las siguientes reacciones: Siendo el nitrógeno atómico el agente fundamental para la nitruración. Este trabajo de Tesis sugiere el uso de un nuevo proceso de nitruración sólida, respetuoso y amigable con el medio ambiente haciendo uso efectivo de residuos poliméricos termoestables como las resinas de melamina.