Fundamentos de la nitruración: nitruración gaseosa y por plasma sin temple

Un principio de endurecimiento diferente

A diferencia de la cementación, la nitruración no se basa en una transformación de fases. Las piezas se calientan hasta aproximadamente 500–580 °C — por debajo de las temperaturas de revenido y de transformación del acero — en un entorno que aporta nitrógeno (gas amoníaco, o un plasma de nitrógeno). El nitrógeno se difunde hacia el interior y forma nitruros finos y duros con los elementos de aleación del acero. Como después no se templa nada, la deformación es mínima y pueden tratarse piezas ya acabadas.

Las dos zonas

Una superficie nitrurada tiene dos regiones distintas:

• Capa de compuestos ("capa blanca") — una fina película superficial de nitruros de hierro, típicamente de unos pocos micrómetros a unas pocas decenas de micrómetros de espesor. Es muy dura, resiste el gripado y la corrosión, pero puede ser frágil; en piezas de precisión o sometidas a fatiga a menudo se limita o se elimina mediante lapeado.
• Zona de difusión — debajo de ella, el nitrógeno en solución y los precipitados de nitruros de aleación elevan la dureza gradualmente hasta volver al nivel del núcleo. Las profundidades totales de capa son típicamente de unos 0.2–0.7 mm, mucho menores que las de las capas cementadas, porque la menor temperatura ralentiza la difusión y los ciclos ya duran decenas de horas.

La dureza superficial depende fuertemente del acero: los grados con aluminio y cromo pueden superar aproximadamente 1000 HV, mientras que los aceros al carbono simples ganan poco más que protección superficial — carecen de los elementos formadores de nitruros.

Aceros que se nitruran bien

Los aceros de nitruración están aleados deliberadamente con aluminio, cromo, molibdeno y vanadio:

• 1.8550 (31CrMoV9) — el clásico acero de nitruración específico, suministrado preendurecido.
• 4140 / 42CrMo4 — muy utilizado en nitruración para ejes y engranajes donde basta una dureza de capa moderada.
• H13 (1.2344) — las matrices de trabajo en caliente se nitruran (o se nitrocarburan) habitualmente para resistir la adhesión del metal fundido (soldering) y el agrietamiento térmico (heat checking) en servicio de fundición a presión.
• Los grados inoxidables y maraging tienen sus propias variantes de baja temperatura para no perjudicar la resistencia a la corrosión ni la estructura envejecida.

Reglas del proceso que importan

1. Preendurecer primero. El núcleo se templa y se reviene antes de la nitruración, y la temperatura final de revenido debe estar con seguridad por encima de la temperatura de nitruración — de lo contrario, el propio ciclo sobrerreviene el núcleo.
2. Aliviar tensiones tras el mecanizado en desbaste, para que no se pida al ciclo de nitruración que haga dos trabajos.
3. Gas frente a plasma. La nitruración gaseosa es el estándar económico por lotes. La nitruración por plasma (iónica) ofrece un mejor control de la capa blanca, funciona con más facilidad en grados inoxidables y puede enmascarar zonas mecánicamente, a un mayor coste de equipo.
4. Sin temple no hay rescate. Los defectos superficiales, la descarburación o un núcleo blando que entren seguirán ahí al salir — la calidad de la preparación decide el resultado.

Nitruración frente a cementación

Los dos procesos de endurecimiento superficial son complementos, no competidores. La cementación ofrece capas más profundas (habitualmente de la clase 0.5–2 mm), mayor capacidad de carga y menor coste unitario en engranajes de alto volumen, pero necesita un temple, con la deformación y el rectificado de acabado que le siguen. La nitruración ofrece capas menos profundas y límites de carga de contacto menores, pero la pieza puede mecanizarse de acabado antes del tratamiento y sale dimensionalmente estable, con mejor resistencia a la corrosión y mejor comportamiento frente al gripado. Los factores decisivos suelen ser la profundidad de capa requerida, la tolerancia a la deformación y si el acero en cuestión contiene los elementos formadores de nitruros de los que depende la nitruración.