PROCESOS 26 Foto: Cortesía: Tratar S.A. Nitruración por Plasma vs Nitrocarburación Líquida Camilo Marín Villar Metal Actual En busca de tratamientos superduros. El desarrollo de técnicas modernas para tratamientos superficiales como la nitruración por plasma o nitruración iónica, provee a la industria metalmecánica de opciones limpias y eficientes, con nuevos y mejores parámetros de control que permiten optimizar la calidad de los materiales y componentes sin afectar el medio ambiente. Actualmente, uno de los objetivos primordiales de varios grupos de investigación colombianos, tanto públicos como privados, es conseguir recubrimientos o tratamientos superficiales que logren mejorar la resistencia al desgaste y a la corrosión de los materiales metálicos, además, reducir el coeficiente de fricción, tanto para aceros de herramientas como de maquinaria. Los grupos de investigación han dejado de lado el estudio de los tratamientos térmicos y los recubrimientos tradicionales (galvanizado, anodizado, cromado y soldadura), más conocidos como técnicas clásicas, para incursionar en las nuevas tecnologías de recubrimientos, que han permitido en las últimas dos décadas el desarrollo de procesos avanzados y materiales súper duros. WWW.METALACTUAL.COM Precisamente, una de las áreas de estudio es la nitruración por plasma, un proceso termoquímico para el endurecimiento superficial de los metales, y en especial del acero, con gran aplicación en la industria mundial. En Colombia, en la mayoría de la industria, se utiliza la nitrocarburación líquida en baño de sales que, aunque es un proceso eficiente y de bajo costo, presenta una serie de desventajas de calidad en la superficie del material que no son ideales y, además, al emplear residuos tóxicos como cianuros y cianatos para nitrurar, esta técnica afecta el medio ambiente. Por su parte, la nitruración por plasma o iónica, si bien es cierto, debido al costo de los equipos, necesita una alta inversión inicial, es un proceso que trae grandes ventajas en cuanto a la calidad obtenida de las piezas procesadas y, a mediano y largo plazo, permite lograr equilibrio financiero. ¿Qué es la Nitruración? Nitrurar es una técnica que se encuentra clasificada dentro de los procesos termoquímicos; es decir, aquellos que emplean altas temperaturas para causar una reacción en un elemento químico e introducirlo por difusión en la superficie de un metal o aleación. Todos los procesos de esta clase tienen el mismo objeto: mejorar las propiedades mecánicas de la superficie del material; la diferencia, entre uno y otro, radica en el elemento a Grafico: www.aimt-group.com PROCESOS introducir; por lo general nitrógeno y carbono, (N, C) así como en la temperatura y el tiempo del proceso, y la tecnología utilizada, con lo que se obtienen propiedades diferentes según cada método. Entre las técnicas de difusión termoquímica empleadas con más frecuencia por la industria metalmecánica se encuentran la cementación, carbonitruración, nitrocarburación, borización y, por supuesto, la nitruración. Esta última, se puede aplicar de tres formas diferentes: por medio de gas, nitruración líquida y finalmente por plasma, en la que se utiliza un rango de temperaturas más bajo relativo a los demás procesos, ya sea de la propia nitruración o en general de difusión termoquímica. En las tres variantes, se realiza la penetración del nitrógeno a través de la superficie del material a tratar. En suma, este elemento se difunde entre los espacios de la red cristalina Grafico 1. Variaciones de los procesos de nitruración determinados por la tecnología utilizada en cada uno de ellos. Fuente: Facultad de Ingeniería Mecánica. Universidad de los Andes. WWW.METALACTUAL.COM del hierro (Fe) –difusión intersticial– de tal manera que se forman compuestos superficiales de N y Fe conocidos como nitruros, lo cual da lugar al endurecimiento del material. La nitruración se emplea para aumentar la dureza superficial de diferentes materiales metálicos y aleaciones, en especial de aquellos cuya composición es propicia para la formación de nitruros; los formadores de nitruros más fuertes son el aluminio, cromo, molibdeno, vanadio y tungsteno. Por ello, en general, todas las series de aceros con alto contenido de estos aleantes presentan una buena nitruración; los aceros rápidos, grado herramienta, refractarios y los inoxidables también reciben muy bien este proceso. En todas las categorías de aceros se pueden controlar las condiciones del tratamiento para conseguir atributos funcionales específicos según el requerimiento industrial. Asimismo, producto de sus resultados, esta técnica contribuye a elevar la resistencia a la fatiga, mejorar las propiedades antidesgaste y retrasar la corrosión del acero frente a algunos medios corrosivos, incluso ante el ataque de combustibles; además, la capa nitrurada tiene capacidad para comportarse como una película lubricante y aumentar la resistencia a la temperatura hasta 500ºC. Los análisis de los Andes indican que la nitruración incrementa la vida útil de los aceros tipo herramienta de 100 a 200 por ciento; evidentemente, si la capa nitrurada se desgasta, la herramienta debe ser tratada de nuevo. 27 28 PROCESOS La nitruración presenta ventajas sobre los demás procesos de difusión termoquímica como, por ejemplo, la carburización o cementación (entre 870 y 1.065ºC) o borización (entre 760 y 1.095ºC), que requieren de temperaturas mucho más altas, lo que puede acarrear distorsiones dimensionales o microestructurales en las piezas; y en consecuencia, demandan procesos adicionales de rectificado para contrarrestar las deformaciones obtenidas en este proceso. Igualmente, esta técnica, además, de no alterar las tolerancias de los productos y no requerir tratamientos posteriores, consume menos energía que cualquier otro proceso, lo que reduce los costos finales de manufactura de los elementos tratados. La nitruración es útil para distintos componentes de varios sectores industriales: aparatos de uso doméstico; maquinaria para imprenta y sector textil; componentes electrónicos, para ingeniería eléctrica, energía y tecnología de reactores; fabricación de herramientas; industria aeronáutica, armamentística, hidráulica y neumática; ingeniería mecánica en general; metrología y técnicas de control; minería; tecnología ferroviaria, fijación y médica; autopartes y piezas para automotores; válvulas y accesorios. Proceso En Colombia A nivel industrial, el proceso por plasma hasta el momento sólo ha sido desarrollado por la empresa antioqueña Tratar S.A., en representación del sector privado, quienes con el apoyo de Colciencias y consultores internacionales, implementaron un sistema de última generación para realizar procesos al vacío de nitruración y nitrocarburación iónica, el cual ya está al servicio de la industria. Por su parte, aunque diversas compañías ofrecen la nitrocarburación líquida en Colombia, no todas emplean métodos y tecnología NITRURACIÓN Líquida en Baño de Sales Por Plasma o Iónica En Colombia el proceso de nitruración más difundido es el líquido, este método es realmente una nitrocarburación –difusión de nitrógeno y carbono a lo largo y ancho de la superficie de un material– en la que se utiliza un baño de sales (cianuros o cianatos) y un rango de temperaturas de 510 a 580ºC, durante un tiempo de nitruración entre 15 min y 4 horas. El proceso logra profundidades de penetración cercanas a 0.15 mm. El plasma es considerado el cuarto estado de la materia, al aplicar suficiente cantidad de energía a un gas se produce el fenómeno de ionización que permite la aparición de partículas cargadas eléctricamente –iones y electrones–, cuándo las partículas presentan una fuerza electromagnética que define el sistema, se dice que el gas se ha transformado en plasma. La energía utilizada para hacer reaccionar el gas puede ser, en teoría, de cualquier tipo; ya sea, térmica, mecánica o eléctrica, esta última es la más empleada para la nitruración por plasma. Este proceso se basa en el principio de difusión de partículas a través de la aplicación de energía, en este caso térmica para la activación de los átomos de N y C; a medida que aumenta el tiempo de difusión, aumenta la capa difusiva. Básicamente, el proceso de nitrocarburación en sales consiste en los siguientes pasos: Precalentamiento de las piezas a una temperatura de 350ºC. Nitrocarburación en baño de sales a una temperatura entre 570ºC y 580ºC en un tiempo entre una y dos horas. Al sacar del baño se deben enfriar las piezas inmediatamente a 400ºC Se dejan enfriar a temperatura ambiente y limpiar con agua. Por supuesto, este proceso puede variar dependiendo de las variables de temperatura, tiempo, composición del material y concentraciones de las sales nitrurantes, por lo que se obtienen diversas propiedades en la capa de los materiales tratados. Debido a sus diversas aplicaciones, la ventaja de este proceso reside en la flexibilidad de los equipos y el bajo costo de instalación; algunas de sus aplicaciones son: camisas para pistones, engranajes, bielas, matrices de forja, husillos y componentes automotrices. Generalmente, en un ambiente sellado y al vacío (3 – 10mbar de presión absoluta), mantenido por un reactor plasma con escudos de acero inoxidable y una bomba de vacío, una fuente de corriente directa pulsada genera una serie de descargas eléctricas entre dos electrodos (cátodo y ánodo) y un gas (N2, H2, Ar). Las temperaturas varían desde 350 hasta 580ºC, con presiones desde 0.1 a 1kPa, los ciclos de nitruración oscilan entre ½ y 10 horas. Por medio de la energía introducida las partículas del gas se excitan y colisionan entre si, liberan energía, permiten el aumento de la temperatura y ocasionan que los átomos e iones se desplacen del gas hacia el material (cátodo) y lo impacten. Gracias el bombardeo iónico se desprenden átomos de algunos contaminantes de la superficie del material; el hierro del material reacciona con el nitrógeno y forma los nitruros de hierro (FeN), lo que causa la formación de una capa dura conocida como “capa blanca” por su coloración al ser observada al microscopio. El incremento de la temperatura de la pieza y el bombardeo iónico de nitrógeno permite la difusión de átomos de nitrógeno hacia el interior de la estructura del material, lo que forma los nitruros de aleantes de acero como, por ejemplo, nitruros de cromo que en últimas forman la capa de difusión, la cual tiene mayor dureza que el núcleo del material y lo protege, le brinda resistencia al desgaste y la corrosión; además, incrementa la dureza en profundidad y la resistencia a la fatiga. adecuada; en ese sentido los desechos residuales originados por las sales afectan gravemente el medio ambiente. Actualmente, en el país se ofrecen dos procesos de nitrocarburación líquida; la nitruración líquida convencional, la cual es altamente contaminante, y el proceso Tenifer®, marca registrada de Böhler Uddeholm Colombia S.A., que se diferencia de la convencional por que usa sales neutras que no atacan de forma alta al medio ambiente; además, Böhler Uddeholm Colombia, cuenta con una planta de tratamiento de aguas sistematizada que le ha permitido obtener del Gobierno Nacional el permiso para vertimiento de aguas debido a los bajos contenidos de elementos contaminantes. WWW.METALACTUAL.COM Dentro de los procesos de preparación de las piezas para llevar a cabo el proceso Tenifer®, es necesario pasar las piezas por químicos para retirar impurezas de la superficie del acero, con el fin de que estas no cambien el balance químico de las sales, sin que afecten la calidad superficial de la pieza. Antes de aplicar el método Tenifer®, los aceros tienen que pasar por proceso de temple previamente, el cual se realiza a temperaturas muy distintas del temple convencional con el fin de preparar la pieza y lograr obtener capas muy duras (las cuales oscilan entre 800 HV a 1500 HV). Para mejorar la resistencia a la corrosión de piezas, Böhler Uddeholm Colombia, realiza un proceso llamado Tenifer® + QPQ, el cual le confiere al acero este incremento a soportar el ataque de algunos medios corrosivos, algo que no se obtiene por el método convencional de nitrocarburación en sales. Las profundidades de capa blanca, con este método, oscilan entre 10 – 30 µm, con un nivel de porosidad de capa blanca más baja que la que se obtiene por el método convencional de nitrocarburación en sales. La Investigación Una investigación realizada por el ingeniero mecánico, Juan Guillermo Schlief, de la Universidad de los Andes, muestra algunas de las ventajas y desventajas de la técnica por plasma y la nitrocarburación líquida. Para efectuar el estudio, Schlief realizó pruebas iniciales sobre un acero AISI 1010, con el fin de cuantificar las tendencias de un proceso de plasma sobre un material con la menor cantidad de aleantes posible. Para las pruebas finales se eligieron otros tres tipos de aceros, seleccionados, de acuerdo a la demanda en la industria metalmecánica nacional y por sus excelentes propiedades físico-químicas, ideales para recibir la técnica de plasma. Estos son: los aceros para herramientas AISI SAE H13 y DIN 1.2738 (aceros que tienen bajo contenido de azufre) utilizados para la producción de moldes de inyección y producción de componentes para procesos de corte o deformado plástico, también, el AISI SAE D2 que se caracteriza por su alto contenido de cromo y la aleación de molibdeno y vanadio en pequeñas proporciones, por lo que es un excelente formador de estos nitruros; el D2 se emplea para la inyección de plásticos, fabricar punzones, matrices de embutido o herramientas de corte en frío como cizallas, entre otras. El estudio realizó una comparación de estos materiales, sobre tres aspectos fundamentales: porosidad de la capa, perfil de durezas de la superficie y composición química superficial de la capa blanca. Al respecto, se pudo establecer que partir del proceso plasma se reducen los porcentajes de porosidad frente WWW.METALACTUAL.COM 30 PROCESOS Foto: www.transportation.anl.gov inicial para la técnica plasma y nitrocarburación líquida. a un proceso de nitrocarburación líquida para los cuatro tipos de aceros estudiados entre 2 y 4 por ciento; la porosidad se desplaza hacia fuera de la capa blanca, lo que evita posibles inclusiones de agentes corrosivos. De igual manera, los espesores de la capa blanca fueron mayores y más homogéneos para los procesos de plasma. La formación de la capa blanca es muy importante para la buena resistencia a la corrosión y una resistencia mecánica al desgaste pero perjudicial para otras aplicaciones. A diferencia del proceso con baño de sales, por medio del proceso realizado por plasma se puede controlar la aparición o no de esta capa blanca para ajustar los resultados metalúrgicos a la aplicación específica. Si bien, en el ejercicio de los Andes, las durezas superficiales fueron mayores en la nitrocarburación liquida en sales, y el espesor de la capa de difusión presente en los aceros nitrurados por plasma presentó valores de dureza bajos, la mayor extensión de esta capa en la nitruración por plasma compensa la deficiencia y contribuye a mejorar las propiedades de los materiales para las aplicaciones de alto desgaste. Por su parte, Andrés Bernal, Subgerente de Tratar S.A., explicó que en las pruebas realizadas para la imple- Para calcular el ahorro de energía con plasma el estudio del, Ing. Schlief, describe un interesante ejemplo: se compara el consumo y costo de energía de una serie de fuentes de voltaje (DC) utilizadas comúnmente en nitruración por plasma respecto a los hornos eléctricos para el calentamiento de sales en el caso de nitruración liquida. La nitruración de difusión por plasma normalmente se produce al vacío a temperaturas de entre 450 y 580 ºC con la ayuda de plasma generado por una descarga luminiscente en la superficie de la pieza de trabajo. mentación del proceso plasma en su compañía, quedó demostrado que la dureza superficial es uno de los parámetros que se pueden controlar con total exactitud, con lo cual se logran propiedades iguales o mayores que en otros tipos de nitruración, incluso que en el proceso de sales. De hecho, el minucioso control de los parámetros en el plasma es una de las grandes ventajas del proceso en si mismo. Consideraciones Económicas Una de las razones que motivaron el estudio, además de hallar mejoras a las propiedades de la capa nitrurada, fue encontrar consideraciones económicas que muestren las ventajas y desventajas de la nitruración por plasma para Colombia. Al respecto, se evaluó el consumo de energía, el costo de los insumos y la inversión Los resultados fueron muy satisfactorios; el plasma con muy baja potencia alcanza a procesar el mismo número de piezas por casi ¼ del precio de nitruración liquida; conviene aclarar que un proceso nitrocarburación liquida en sales de 2 horas a una temperatura nominal (350ºC) requiere de 3 horas previas de calentamiento de los cianuros, para realizar la oxidación de los mismos hasta obtener cianatos; en el caso del proceso Tenifer® esto no es necesario, ya que una vez se encuentre fundida la sal se puede usar el baño. En el caso de implementar ambos procesos para producir el mismo número de piezas, durante 24 horas, 5 días a la semana durante un año, se obtiene un ahorro por consumo de energía de $39 millones en un equipo de plasma GSW 150, equivalente a un horno TS/40/30 de nitruración liquida en sales. Ver Tabla 1 El estudio también analizó la incidencia que tienen los insumos en la nitruración líquida convencional y plasma; según los resultados, para el desarrollo de un ciclo de plasma de 5 horas, los insumos tienen un costo Tabla 1 / Consumo de energía y costo anual para plasma y nitrocarburación líquida en sales Duración (hr) Ciclos día Pot. Nom (Kw) E. Consumida (kw/h) Costo/Día ($) Costo/Año ($) Plasma GSW 150 7 3 10 Tenifer TS/40/30 3 7 33 210 54.600 17.089.800 693 180180 56.396.340 Ahorro 125.580 39.306.540 WWW.METALACTUAL.COM PROCESOS estimado de $6.859 por cada ciclo. Por su parte, el precio del cianuro de sodio líquido para la nitrocarburación con baño de sales, cuesta aproximadamente US$150 por tonelada; es decir, en precios del 2009 $332.400, lo cual a su vez equivale a 50 ciclos de nitruración por plasma. En el caso de industrias de tratamientos grandes, que utilizan un barril de cianuro para 1.7 ciclos (modelo de horno TS 70/72), cada ciclo de cianuro costaría US$88, equivalentes a 30 ciclos por plasma. En un presupuesto básico de nitruración por plasma, según Schlief, para la construcción de un pequeño reactor de aproximadamente 30 cm de diámetro por 50 cm de alto y la compra de instrumentos de implementación, entre ellos una fuente de voltaje tipo GSW150, la inversión total es de alrededor de $72 millones. Por su parte, para la construcción de un horno de sales en la nitruración líquida, de tamaño igual al reactor, se requieren $7 millones, adicional a esto se debe incluir la compra de electrodos, la fuente de voltaje y el sistema de control, lo cual sumaría otros $7 millones, para un total de $14 millones. Con todas las desventajas que tiene este tipo de proceso para la calidad de la capa nitrurada y los efectos nocivos al medio ambiente. Arriba sistema de nitruración/ nitrocarburación de difusión por plasma; abajo, equipos nitrocarburación en baño de sales. Foto: www.ireap.umd.edu Foto: www.aimt-group.com 31 PROCESOS Fotos: www.gadgetshog.com 32 La nitruración y nitrocarburación son tratamientos superficiales para distintos componentes de varios sectores industriales. Conviene aclarar que los precios aquí mencionados son estimaciones basadas en un ejercicio puntual que, aunque juicioso y responsable, deben entenderse simplemente como información de referencia y no sirven para la toma de decisiones industriales; cada compañía, según sus requerimientos y características de procesamiento, maneja presupuestos propios y diferentes. Por ejemplo, en el caso de una inversión inicial para un proceso Tenifer®, acorde a lo presentado por Böhler Uddeholm Colombia, la inversión inicial si se compara con la nitrocarburación líquida convencional es mucho más alta, debido a que se deben usar equipos de medición muy precisos (medidores de flujos de aire, equipos para titulación química, reactivos, compresores con deshumidificadores, entre otros), hornos especiales y crisoles fabricados en titanio, una inversión aproximada de $130 millones, sin contar con el costo de las sales neutras las cuales tiene la gran ventaja de no degradarse en tan corto tiempo como ocurre con sales convencionales. Así mismo, según informó la compañía Tratar S.A., para la construcción de los dos reactores plasma de alta capacidad se invirtieron un poco más de $600 millones. Ahora bien, lo cierto es que la inversión inicial en el desarrollo de la nitruración iónica es mucho mayor que para la nitruración con sales, sin embargo, gracias al bajo consumo de insumos (energía y gases), dicho método logra ahorros que a mediano plazo representan la recuperación de la inversión. Fundamentalmente, la nitruración por plasma es un proceso limpio con completo control de los parámetros técnicos, por lo que logra una calidad excepcional en las piezas nitruradas y se cumplen las normas medioambientales más estrictas; su limitación radica en el alto costo inicial. Por su parte, el método con sales por su velocidad de producción e inversión es más económico, sin embargo, la calidad de la capa es menor y es altamente contaminante. En este sentido, aunque la legislación colombiana, por ahora es flexible ante el tema ambiental y el problema del manejo inadecuado de desechos tóxicos como el cianuro, es inminente que, por ejemplo, con la firma de Tratados de Libre Comercio, la industria nacional de tratamientos térmicos debe ponerse a la par de las exigencias internacionales en este aspecto tal y como lo están haciendo Tratar S.A. y Böhler Uddeholm Colombia, lo que en últimas significa gastos adicionales para el proceso con sales como la implementación de un sistema de tratamiento de aguas. En la mejora en la calidad de los productos tratados y en la conservación del medio ambiente es donde la nitruración por plasma cobra su mayor importancia, ya que los desechos producidos por este método no son tóxicos ni contaminantes, por lo tanto la inversión a mediano y largo plazo se reduce y al final este método se convierte en una alternativa digna de evaluar por parte de los industriales colombianos. Fuentes • Andrés Bernal D. MsC. Materials Processing KTH, Estocolmo – Suécia y Subgerente de Tratar S.A. andresbernal@tratar.com.co • Carlos Augusto Robledo. Ingeniero Metalúrgico. Jefe de Tratamientos Térmicos, Böhler Uddeholm Colombia S.A. carlos.robledo@ bohlercolombia.com • Jairo Arturo Escobar Gutiérrez. Dr. Ing. Profesor Asociado Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad de los Andes. jaiescob@ uniandes.edu.co • SCHLIEF CARVAJAL. Juan Guillermo. Ing. Mecánico. Estudio Experimental de la Nitruración por Plasma y comparación con el proceso industrial Tenifer en Colombia para Aceros de Herramienta. Departamento de Ingeniería Mecánica. Universidad de los Andes. 2009. Bogotá. DC. http://biblioteca.uniandes.edu. co/Tesis_22009_segundo_semestre/848.pdf • VIZCAÍNO CÉSPEDES Darío. Ing. Mecánico. Estudio de La Nitruración por Plasma y Diseño y Construcción y Montaje de Equipo para el Tratamiento de Aceros Herramienta. • www.tratar.com.co - www.trateriber.es www.trames.com.mx - www.grupttc.com WWW.METALACTUAL.COM