PROCESAMIENTO SUPERFICIAL DE ACEROS MEDIANTE PLASMA ELECTROLÍTICO

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1 CONAMET/SAM 2006 PROCESAMIENTO SUPERFICIAL DE ACEROS MEDIANTE PLASMA ELECTROLÍTICO M.A. Béjar, R. N. Araya, B. Baeza Universidad de Chile, Departamento de Ingeniería Mecánica Casilla 2777, Santiago, Chile, RESUMEN Los tratamientos termoquímicos de aceros mediante plasma se realizan normalmente en atmósferas gaseosas ionizadas a baja presión. Entre los tratamientos más utilizados están: nitruración, carburización y borizado. Un plasma también se puede generar a presión atmosférica. Una manera de producirlo es mediante una celda electroquímica que trabaje a un voltaje interelectrodo relativamente alto y en condiciones de alta generación de gas. Este tipo de plasma se conoce como plasma electrolítico. En este trabajo se estudia la factibilidad de utilizar un plasma electrolítico para procesar superficialmente aceros. Se eligieron dos procesos: borizado y nitruración, con el objeto de endurecer dos tipos de acero: uno de bajo carbono (1020) y uno de baja aleación (4140). En el caso de la nitruración, el acero 1020 fue previamente aluminizado. Los electrolitos fueron soluciones acuosas de bórax para el borizado y de urea para la nitruración. Los plasmas electrolíticos fueron clasificados cualitativamente, de acuerdo a su luminosidad, como de baja, media y alta intensidad. El borizado se realizó con plasmas de baja intensidad durante una hora. La nitruración se realizó con plasmas de distintas intensidades y por tiempos de algunos minutos y de media hora. Las probetas procesadas por plasma electrolítico fueron caracterizadas por ensayos de microdureza y de difracción de rayos X. Las durezas superficiales máximas que se obtuvieron para los aceros 1020 y 4140 fueron las siguientes: 300 y 700 HV para el borizado, y 1650 y 1200 HV para la nitruración, respectivamente. Se concluye que la utilización de un plasma electrolítico permite el procesamiento superficial de aceros permitiendo aumentar considerablemente su dureza. Además, con este tipo de plasma algunos tratamientos termoquímicos superficiales pueden realizarse muy rápidamente. Palabras Clave: Nitruración, Borizado, Plasma, Electrolito

2 1. INTRODUCCIÓN Los principales tratamientos termoquímicos que se utilizan para mejorar las propiedades mecánicas de piezas de acero son: carburización, nitruración y borizado. Dependiendo del tipo de tratamiento, las atmósferas que se utilizan pueden ser sólidas, líquidas o gaseosas. En general, en todos estos tratamientos la temperatura que se utiliza es relativamente alta (carburización: K, nitruración: K, borizado: K [1]). Sin embargo, cuando el proceso se realiza mediante plasma, la temperatura de la pieza puede ser menor. Típicamente, en los tratamientos por plasma se utiliza el efecto termo-reactivo que puede producir un gas, a baja presión, ionizado eléctricamente. Dado que la pieza a tratar se conecta como cátodo, ella es sometida a un bombardeo iónico. Si la concentración de los elementos de interés y la temperatura superficial son suficientemente altas se puede inducir la síntesis química de algunos compuestos, los que pueden ser estables (por ejemplo, boruros de hierro) o inestables (por ejemplo nitruros de hierro); o simplemente producirse la difusión de dichos elementos (por ejemplo C). En el caso de un plasma electrolítico, éste puede ser generado en una celda electroquímica a presión atmosférica, cuando ella se hace trabajar con un voltaje relativamente alto y con una densidad de corriente que produzca suficiente gas como para separar el electrolito de los electrodos [2-4]. Debido al alto voltaje, la capa dieléctrica gaseosa puede ser ionizada transformándose así en un plasma. La utilización más difundida de este tipo de plasma ha sido para recubrir aluminio y sus aleaciones con alúmina [5]. El objetivo de este trabajo fue estudiar la factibilidad de utilizar un plasma electrolítico para endurecer superficialmente aceros. superficiales iniciales fueron de 175 y 285 HV 0.1, respectivamente. En el caso del acero 1020, dado que no posee elementos de aleación que sean formadores de nitruros, este acero fue aluminizado por inmersión en un baño de aluminio fundido (Al- 14%Si, 1123 K, s). Las probetas aluminizadas fueron cuidadosamente lijadas dejando en su superficie una capa de aluminio de aproximadamente 200 µm de espesor. Algunas de estas probetas aluminizadas fueron calentadas durante 11 h a 1073 K, con el objeto de provocar la difusión del aluminio superficial. La microdureza superficial de las probetas sólo aluminizadas fue de HV 0.1, en tanto que la microdureza superficial de las que además fueron sometidas al calentamiento de difusión fue de aproximadamente 150 HV 0.1. Todos los tratamientos puramente térmicos se realizaron en atmósferas pobres en O 2. Los electrolitos utilizados para generar los plasmas electrolíticos fueron soluciones acuosas de bórax para el borizado, y de urea para la nitruración. Después del procesamiento por plasma electrolítico, las probetas fueron caracterizadas por ensayos de microdureza y de difracción de rayos X. 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN La forma típica de la relación entre la corriente eléctrica y el voltaje interelectrodo de la celda electroquímica, es la que se muestra en la Fig.1. Densidad de Corriente, A/cm a b Voltaje Interelectrodo, V c d 2. DESARROLLO EXPERIMENTAL Para este estudio se decidió realizar dos procesos termoquímicos: nitruración y borizado, con el objeto de endurecer dos tipos de aceros: 1020 y Los aceros 1020 y 4140 antes de ser procesados fueron sometidos a un calentamiento de alivio de tensiones durante 1 h (873 K y 923 K, respectivamente) con lo que sus microdurezas Fig.1. Relación típica entre la densidad de corriente y el voltaje interelectrodo. Solución acuosa de urea Al comienzo, al aumentar el voltaje la corriente también aumenta (zona a) y sólo se observa generación de gas. Al seguir aumentando el voltaje, la corriente sólo aumenta hasta un cierto valor máximo (zona b). En la zona b, se observa un régimen de descargas de tipo intermitente. Al

3 continuar aumentando aún más el voltaje (zona c) la corriente decrece y se establece un régimen de plasma estable. Al aumentar aún más el voltaje, la corriente vuelve a aumentar (zona d) pudiéndose llegar a generar un plasma de suficiente intensidad calórica capaz de fundir los electrodos. En la Fig. 2 se muestran los distintos tipos de plasma utilizados, clasificados cualitativamente de acuerdo a su intensidad luminosa. 3.1 Borizado Acero 1020 En la Fig.3 se muestra una micrografía óptica del acero 1020 borizado mediante un plasma de baja intensidad durante 1 h. La microdureza superficial de este acero fue de 300 HV0.1. Este aumento de dureza se debería a la formación del boruro Fe2B acuerdo al espectrograma mostrado en la Fig.4. a) Bajo voltaje. Sólo generación de gas Fig.3. Acero 1020 borizado [6] b) Plasma de baja intensidad Fig.4. Espectrograma de acero 1020 borizado [6] Acero 4140 c) Plasma de media intensidad d) Plasma de alta intensidad Fig. 2. Celda electroquímica. Distintos modos de operación En la Fig.5 se muestra una micrografía óptica del acero 4140 borizado también mediante un plasma de baja intensidad durante 1 h. La microdureza superficial de este acero fue de aproximadamente 700 HV0.1. En la Fig.6 se muestra el espectrograma respectivo. La presencia de Cr en el acero 4140, que favorece la difusión del B [7], sería la causa de la mayor dureza obtenida. Si bien para ambos aceros el borizado produjo un aumento de dureza, este aumento fue relativamente bajo. Probablemente, si se borizara con un plasma electrolítico de mayor intensidad, el aumento de dureza sería mayor.

4 Fig.5. Acero 4140 borizado Fig.8. Micrografía SEM del acero 1020 aluminizado, después de un tratamiento de difusión de 4 h a 1073 K Las probetas de acero 1020 aluminizado, sin y con el tratamiento de difusión, fueron procesadas por plasmas de distintas intensidades y por los tiempos que se indican en la Tabla I. El perfil de microdureza de la probeta b) se muestra en la Fig.9. Fig.6. Difractograma del acero 4140 borizado Tabla I. Microdureza superficial del acero 1020 después de la nitruración por plasma electrolítico 3.2. Nitruración Acero 1020 aluminizado En la Fig.7 se muestra una micrografía óptica del acero 1020 aluminizado. En la Fig.8 se muestra una micrografía SEM de un acero 1020 aluminizado y sometido a un tratamiento de difusión de 4 h a 1073 K. Al comparar estas dos micrografías se puede observar que con el tratamiento de difusión, la capa externa de aluminio desapareció en algunas zonas. Probeta a) Aluminizado b) Aluminizado c) Aluminizado + difusión Intensidad (tiempo) Alta, 30 s + Baja, 120 s High, 30 s + High, 30 s + High, 30 s Microdureza, HV Alta (30 s) 840 Fig.9. Perfil de microdureza de la probeta b) 50 µm Fig.7. Micrografía óptica del acero 1020 después del aluminizado De acuerdo a los valores mostrados en la Fig.9 y a los resultados obtenidos en [8] es claro que el acero 1020 aluminizado, nitrurado por un plasma electrolítico, puede alcanzar una dureza mucho mayor y mucho más rápidamente que con un plasma de baja presión.

5 3.22. Acero 4140 La Fig.10 muestra la zona superficial del acero 4140 procesado con un plasma electrolítico estable de baja intensidad durante 0.5 h. En general, se formaron dos capas: una capa compuesta y una capa de difusión. La microdureza superficial de esta zona fue de alrededor de 700 HV 0.1 y su perfil de microdureza se muestra en la Fig.11. En la zona de los bordes de esta misma probeta se observó que el plasma era de mayor intensidad. En la Fig.12 se muestra una micrografía de esta zona, pudiéndose ver que en este caso la capa compuesta fue de mayor espesor y constituida por dos subcapas. Después de un revenido de 1 h a 923 K la microdureza superficial de esta zona fue de aproximadamente 1200 HV 0.1, y su perfil de microdureza fue como se muestra en la Fig. 13. La mayor dureza de esta zona podría deberse a la formación de Cr 2 N, que es uno de los compuestos que se encontró que existía en la superficie, de acuerdo al espectrograma que se muestra en la Fig.14. Fig.12. Micrografía óptica del acero 4140 nitrurado. Zona de plasma de intensidad media Fig.13. Perfil de microdureza del acero 4140 nitrurado y revenido. Zona de plasma de intensidad media Fig.10. Micrografía óptica del acero 4140 nitrurado. Zona de plasma de intensidad baja Fig.14. Difractograma del acero 4140 nitrurado 4. CONCLUSIONES Fig.11. Perfil de microdureza del acero 4140 nitrurado. Zona de plasma de intensidad baja La utilización de un plasma electrolítico permite el procesamiento superficial de aceros permitiendo aumentar considerablemente su dureza. Además, con este tipo de plasma algunos tratamientos termoquímicos superficiales pueden realizarse muy rápidamente.

6 Referencias 1. ASM, Metals Handbook, 9 th Ed., Vol.4, Metals Park, OH, Ph.M. Kanarev, T. Mizuno, Cold Fusion by Plasma Electrolysis of Water, Article on the Web. 3. N. A. Reiter and Dr. S.P. Faile, Experiments with Cathodic Plasma Effects in Light and Heavy Water Solutions: The Wisp Reactor, Article on the Web. 4. D. Cirillo, V. Iorio, Transmutation of metal at low energy in a confined plasma in water, Eleventh International Conference on Condensed Matter Nuclear Science Marseille, France. Article on the Web. coatings on aluminium alloys, Materials Letters 5 (2003) M.A. Béjar, E. Navarro, Factibilidad de borizar aceros mediante un plasma electrolítico, VII Congreso Iberoamericano de Ingeniería Mecánica, Octubre 2005, Ciudad de México. 7. R.D.T. Whittle, V.D. Scott, Sliding-wear evaluation of boronized austenitic alloys, Met. Technol. 11 (1984) M.A. Béjar, F. León, Surface hardening of aluminized carbon-steels by plasma nitriding, submitted to Journal of Materials Processing Technology. 5. P.I. Butyagin, Ye.V. Khokhryakov, A.I. Mamaev, Microplama system for creating