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Nitruracion de metales

La nitruración es un tratamiento térmico empleado para el endurecimiento superficial de ciertas piezas, principalmente aceros. Es especialmente recomendable para aceros aleados con cromo, vanadio, aluminio, wolframio y molibdeno, ya que forman nitruros estables a la temperatura de tratamiento. Son estos nitruros los que proporcionan la dureza buscada. Durante la nitruración, la pieza sometida ve aumentada su dureza superficial mediante el aporte de nitrógeno a la misma en una atmósfera nitrurante, principalmente compuesta de vapores de amoníaco descompuesto en nitrógeno e hidrógeno.

En esta descomposición, el nitrógeno, más denso que el hidrógeno, se desplaza hacia la zona inferior de la cámara, entrando en contacto con la pieza y formando nitruros de hierro (compuesto duro y frágil) en su superficie. La penetración de este tratamiento es sumamente lenta, del orden de un milímetro de espesor por cada 100 horas de duración, aunque después de esto la pieza no precisará de temple. Este tratamiento se realiza generalmente en hornos eléctricos a temperaturas del orden de los 500ºC, por cuya cámara circula el gas de amoníaco. Tanto la temperatura como la concentración del gas en amoníaco deben mantenerse constante durante todo el proceso. Además, en caso de existir alguna parte de la pieza que no se desee nitrur se introducen dichas partes en una solución de estaño y plomo al 50%, que evitará que la atmósfera de nitrógeno les afecte. La preparación previa al proceso consistirá en la limpieza de la pieza mediante, por ejemplo, ultrasonidos en un baño de alcohol. También se purgará la atmósfera del horno durante su calentamiento, haciendo circular un caudal de nitrógeno con un volumen igual a 100 veces el volumen del horno. Así, se asegura la eliminación de la humedad absorbida en el tubo de cerámica y, si se introduce la muestra en el horno durante la fase de calentamiento, pero fuera de la zona caliente, se aprovechará dicho caudal para eliminar también la posible humedad existente en ella. Para la mejor manipulación de la muestra, se  introducirá previamente en una naveta de aluminio. Cuando el horno alcance la temperatura de tratamiento, se mueve la pieza a la zona caliente evitando la contaminación de la atmósfera del horno, y se procede a la aplicación del tratamiento.

Una vez se haya aplicado el tratamiento completo, el enfriamiento se hará siempre bajo una atmósfera controlada para evitar la contaminación superficial u oxidación de la pieza. Existen otras maneras de nitrurar una pieza. Un ejemplo de ello es la nitruración líquida, que se emplea en el rango de temperaturas entre 815 y 850C.

La nitruración líquida se realiza en un baño de sales fundidas compuesto de una mezcla típica de sales de sodio y potasio. El contenido de cianuro en todos los baños de nitruración es responsable de acción nitrificadora y la relación de cianuro a cianato es fundamental. Los baños con contenido de cianuro usados pasan por un proceso de envejecimiento que genera productos de oxidación indeseables. El envejecimiento reduce el contenido de cianuro del baño e incrementa el contenido de cianato y carbonato. Otro método es la plasma-nitruración, en donde el sustrato se conecta como cátodo y es expuesto a altas temperaturas a un plasma de nitrógeno hidrógeno. Con esto al comienzo se quitan óxidos e impurezas superficiales y después los iones de nitrógeno se integran en la estructura del metal cerca de la superficie, obteniéndose como resultado un aumento en la dureza de la superficie. Adicionalmente en muchos casos se mejora las propiedades de deslizamiento y la resistencia a la corrosión. Además e aceros también se pueden plasma-nitrurar el titanio y el aluminio. También se denomina nitrurada luminiscente. Generalmente, la  nitruración se aplica a piezas que vayan a sufrir grandes cargas y fatiga,  como pistas de rodamientos o camisas de cilindros, por ello se buscará  la mayor dureza superficial posible pero también un núcleo con cierta  plasticidad. Es por culpa de esta resistencia que las piezas son mecanizadas, templadas y revenidas antes de ser sometidas a la nitruración. En cuanto a la aptitud de una aleación para ser nitratada, tenemos que el tratamiento es aplicable a aleaciones con una concentración de aluminio de aproximadamente 1% en peso (estos aceros aleados nitratados se llaman Nitralloy), aceros inoxidables, aceros al cromo-níquel y algunas fundiciones al aluminio o cromo. No emplearemos el tratamiento en aceros al carbono, ya que la penetración es rápida y puede provocar el desprendimiento de la capa nitratada. La nitruración es, en general, uno de los tratamientos de endurecimiento  superficial más baratos y que menos equipamiento requiere.

Nitruración gaseosa: La nitruración gaseosa se realiza en hornos de atmósfera controlada en los que la pieza se lleva a temperaturas entre 500 y 570ºC en presencia de amoníaco disociado. Este proceso se basa en la afinidad que tiene los elementos de aleación del acero por el nitrógeno procedente de la disociación del amoníaco. –

Nitruración en baño de sales: La nitruración en baño de sales se realiza a la misma temperatura que la nitruración gaseosa, entre 500 ºC y 570ºC. Para ello se introduce la pieza en un baño de sales fundidas compuesto por cianuros y cianatos en estado fundido. Durante este tratamiento, el material absorbe C y N del baño. Dadas las bajas temperaturas a las que se opera, la carburación es muy pequeña, dando paso a la nitruración. Así, se forma una capa cuya composición química es de un 25% de carburos  (FesubxsubCsubysub) y de un 75% de nitruros de hierro . –

Nitruración sólida: En la nitruración sólida las piezas se colocan cubiertas por una pasta de sustancia nitrurante que se eleva a una temperatura entre 520 ºC y 570ºC durante 12 horas.  –

Nitruración iónica o por plasma: Es un tipo de nitruración gaseosa dirigida a aumentar la velocidad de difusión del N y reducir el tiempo de tratamiento. Se realiza dentro de un reactor donde se ha hecho vacío antes de introducir los gases de nitruración. Estableciéndose un circuito eléctrico en el que la pieza a nitrurar es el ánodo, por efecto del calor el Nitrógeno molecular se descompone e ioniza. Con ello se produce la difusión del N por la superficie y la consiguiente formación de nitruros. Otros gases presentes y que actúan como soporte son el gas carburante,   Protección contra la nitruración Cuando se quiere conservar blandas ciertas superficies de una pieza que va a ser  nitratada, se protegen esas partes con una película de estaño. Si es posible, se sumergen las partes que se quieren conservar blandas en un baño de aleación compuesto de 60% de plomo y 40% de estaño, fundida a 400° aproximadamente. Cuando se ve que está bien adherida la capa protectora, se sacan las piezas del baño y se les quita todo el escaño sobrante, con un cepillo de alambre. Conviene que no quede ningún exceso de estaño, porque como el punto de fusión de estas aleaciones es bastante inferior al de la temperatura de nitruración (500°), cualquier particular que haya quedado sobrante en la pieza goteara o se deslizara sobre las superficies que deben endurecerse y aparecerán luego zonas blandas. En el caso de que la zona que se desea proteger no se pueda sumergir en el baño de estaño, se utiliza un  soldador de cobre o un soplete de gas para aplicar el estaño.

Previamente se limpian las superficies a proteger con una disolución que se prepara en la siguiente forma: se diluyen 1500 cm³ de ácido clorhídrico en 750 cm³ de agua, luego se disuelve en esta solución la mayor cantidad posible de Zinc y después se añaden 30 a 60 g de sal de amoniaco, filtrando cuando se enfría la  mezcla. Como ésta es corrosiva, es necesario después de aplicar la capa de estaño lavar con agua caliente todas las partes que se hayan mojado con ella. El estaño electrolítico da también resultados bastante satisfactorios, y es suficiente una película de 0,025 mm de espesor. También se pueden proteger las superficies que deben quedar blandas, recubriéndolas con una pintura preparada a ver en la siguiente forma: Cinco partes de polvo muy fino de estaño; dos partes de polvo muy fino de plomo, 5 partes de óxido de cromo verde. Los elementos se mezclan y almacenan en seco y se preparan pequeñas  por ciudad de pintura, diluyéndola en el momento emplearla, en la solución  ácida que hemos citado para el procedimiento anterior. Se mantiene esta  mezcla bien agitada, aplicándola en las partes a proteger mediante un cepillo pequeño. Es conveniente, que en el momento de ser aplicada la pintura, las superficies de las piezas estén calientes, para que se seque la pintura rápidamente. Conviene efectuar la nitruración inmediatamente, pues como la pintura es higroscópica, existe el peligro de que en contacto con la atmósfera se humedezca y origine corrosiones en las superficies de las piezas si permanece largo tiempo de esa forma.