Nitruración

En la nitruración gaseosa, el gas donante es rico en nitrógeno, generalmente amoníaco (NH₃ ₎ , por lo que a veces se la conoce como nitruración amoniacal . ^{[ 2 ]} Cuando el amoníaco entra en contacto con la pieza de trabajo calentada, se disocia en nitrógeno e hidrógeno. El nitrógeno se difunde entonces sobre la superficie del material, creando una capa de nitruro. Este proceso existe desde hace casi un siglo, aunque solo en las últimas décadas se ha realizado un esfuerzo concentrado para investigar la termodinámica y la cinética involucradas. Los avances recientes han dado lugar a un proceso que se puede controlar con precisión. El espesor y la composición de fases de las capas de nitruración resultantes se pueden seleccionar y el proceso se puede optimizar para las propiedades particulares requeridas.

Es posible mejorar aún más la durabilidad de una superficie nitrurada utilizando el método ZeroFlow ^{[ 3 ] [ 4 ]} . Desarrollado por SECO/Warwick y la Universidad Tecnológica de Poznan ^{[ 5 ]} , este método también permite reducir varias veces el consumo de gas del proceso, disminuyendo así los costos de nitruración y reduciendo las emisiones de gases posteriores al proceso al medio ambiente ^{[ 4 ] [ 5 ]} .

Las ventajas de la nitruración gaseosa sobre otras variantes son:

• Control preciso del potencial químico del nitrógeno en la atmósfera de nitruración mediante el control del caudal de gas de nitrógeno y oxígeno.
• Efecto de nitruración integral (que en algunos casos puede ser una desventaja, en comparación con la nitruración por plasma).
• Es posible realizar lotes de gran tamaño; el factor limitante es el tamaño del horno y el flujo de gas.
• Con el control informático moderno de la atmósfera, los resultados de la nitruración pueden controlarse con precisión.
• Coste de equipamiento relativamente bajo, especialmente en comparación con el plasma.

Las desventajas de la nitruración gaseosa son:

• La cinética de reacción está fuertemente influenciada por el estado de la superficie: una superficie aceitosa o contaminada con fluidos de corte dará malos resultados.
• En ocasiones, se requiere la activación de la superficie para tratar aceros con alto contenido de cromo; compárese con la pulverización catódica durante la nitruración por plasma.
• El amoníaco como medio de nitruración, aunque no es especialmente tóxico, resulta perjudicial si se inhala en altas concentraciones. Asimismo, se debe tener precaución al calentar en presencia de oxígeno para reducir el riesgo de explosión.

En la nitruración por baño de sales, el medio donador de nitrógeno es una sal nitrogenada, como el cianuro . Estas sales también aportan carbono a la superficie de la pieza, convirtiendo el baño de sales en un proceso de nitrocarburación. La temperatura empleada es la típica de todos los procesos de nitrocarburación: entre 550 y 570 °C. Debido a la extrema toxicidad de las sales utilizadas, la normativa medioambiental y de seguridad actual ha provocado que este proceso caiga en desuso. 

Las ventajas de la nitruración de sales son:

• Tiempo de procesamiento rápido: normalmente se necesitan unas 4 horas para lograr la difusión deseada, mientras que otros métodos tardan más.
• Funcionamiento sencillo: el baño de sal y las piezas de trabajo se calientan a la temperatura deseada y las piezas de trabajo se sumergen durante un período de tiempo determinado.

Las desventajas son:

• Las sales utilizadas son altamente tóxicas ; su eliminación está regulada por estrictas leyes medioambientales en los países occidentales.
• Coste: Estas regulaciones han incrementado los costes asociados al uso de baños de sal.
• Con un tipo de sal en particular, solo es posible un proceso: dado que el potencial de nitrógeno viene determinado por la sal, solo es posible un tipo de proceso.

La nitruración por plasma, también conocida como nitruración iónica , nitruración iónica por plasma o nitruración por descarga luminiscente , es un tratamiento industrial de endurecimiento superficial para materiales metálicos.

En la nitruración por plasma, la reactividad del medio de nitruración no se debe a la temperatura, sino al estado de ionización del gas. En esta técnica, se utilizan campos eléctricos intensos para generar moléculas ionizadas del gas alrededor de la superficie a nitrurar. Este gas altamente reactivo con moléculas ionizadas se denomina plasma , dando nombre a la técnica. El gas utilizado para la nitruración por plasma suele ser nitrógeno puro , ya que no se requiere descomposición espontánea (como ocurre en la nitruración con amoníaco). Existen plasmas calientes, como los chorros de plasma utilizados para el corte, la soldadura , el revestimiento o la pulverización de metales. También existen plasmas fríos, que generalmente se generan dentro de cámaras de vacío , a bajas presiones .

Generalmente, los aceros se tratan con éxito mediante nitruración por plasma. Este proceso permite un control preciso de la microestructura nitrurada, posibilitando la nitruración con o sin formación de capa compuesta. No solo se mejora el rendimiento de las piezas metálicas, sino que también aumenta su vida útil, así como el límite de deformación y la resistencia a la fatiga de los metales tratados. Por ejemplo, las propiedades mecánicas del acero inoxidable austenítico, como la resistencia al desgaste, pueden incrementarse significativamente, y la dureza superficial de los aceros para herramientas puede duplicarse. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

Una pieza nitrurada por plasma suele estar lista para su uso. No requiere mecanizado, pulido ni ninguna otra operación posterior a la nitruración. Por lo tanto, el proceso es sencillo, ahorra energía al ser el más rápido y provoca poca o ninguna deformación.

Este proceso fue inventado por el alemán Bernhardt Berghaus, quien posteriormente se estableció en Zúrich para escapar de la persecución nazi. Tras su fallecimiento a finales de la década de 1960, el proceso fue adquirido por el grupo Klockner y popularizado a nivel mundial.

La nitruración por plasma se combina frecuentemente con un proceso de deposición física de vapor (PVD) y un tratamiento dúplex, lo que ofrece mayores beneficios. Muchos usuarios prefieren incorporar una etapa de oxidación por plasma en la fase final del proceso para obtener una capa de óxidos lisa y de color negro intenso, resistente al desgaste y la corrosión.

Dado que los iones de nitrógeno se generan por ionización, a diferencia de los baños de gas o sal, la eficiencia de la nitruración por plasma no depende de la temperatura. Por lo tanto, la nitruración por plasma puede realizarse en un amplio rango de temperaturas, desde 260  °C hasta más de 600  °C. ^{[ 7 ]} Por ejemplo, a temperaturas moderadas (como 420  °C), los aceros inoxidables pueden nitrurarse sin la formación de precipitados de nitruro de cromo y, por consiguiente, manteniendo sus propiedades de resistencia a la corrosión. ^{[ 8 ]}

En los procesos de nitruración por plasma, el nitrógeno gaseoso (N₂ ₎ suele ser el gas portador. También se utilizan otros gases como el hidrógeno o el argón . De hecho, el argón y el hidrógeno pueden utilizarse antes del proceso de nitruración, durante el calentamiento de las piezas, para limpiar las superficies a nitrurar. Este procedimiento de limpieza elimina eficazmente la capa de óxido de las superficies y puede eliminar finas capas de disolventes que pudieran quedar. Esto también contribuye a la estabilidad térmica del sistema de plasma, ya que el calor añadido por el plasma ya está presente durante el calentamiento y, por lo tanto, una vez alcanzada la temperatura de proceso, la nitruración propiamente dicha comienza con mínimas variaciones de temperatura. Para el proceso de nitruración, también se añade hidrógeno gaseoso para mantener la superficie libre de óxidos. Este efecto puede observarse analizando la superficie de la pieza durante la nitruración (véase, por ejemplo, ^{[ 9 ]} ).