Nitrurado por plasma del 4140: los tres parámetros

Nitrurado por plasma del 4140: tres parámetros deciden si la capa protege o acelera el fallo

Por Harris, técnico de SHUNFU METAL

En un plano de fabricación, la palabra «nitrurado» no especifica casi nada. Dentro de ella caben procesos que multiplican la resistencia al desgaste y mejoran la estabilidad frente a la corrosión, y procesos que dejan la pieza más frágil y más expuesta que antes de entrar al horno. La diferencia no está en el nombre del tratamiento: está en tres números que casi nunca aparecen en la orden de compra — la temperatura, la atmósfera (y dentro de ella, la dosis exacta de oxígeno) y el tiempo.

Una tesis de máster de la Universidad Tecnológica de Anhui (Dai Xizhang, 2021) estudió exactamente eso sobre acero AISI 4140: cómo responde la capa nitrurada y la capa nitrooxidada cuando se mueve cada uno de esos tres parámetros, y qué se gana —o se pierde— en dureza, desgaste y corrosión. Este artículo traduce sus datos a criterios de especificación. Sirve igual para quien compra barras y tubos de 4140, para quien define el tratamiento en plano y para quien recibe la pieza tratada.

Antes de entrar, la equivalencia que conviene fijar: AISI 4140 (EE. UU., SAE/ASTM) es el mismo acero que el 42CrMo chino (GB/T 3077) y el 42CrMo4 / 1.7225 europeo (EN 10083-3). Lo que sigue aplica a las tres designaciones, porque la respuesta al nitrurado la define la familia química, no la norma que la nombra.

El experimento, en una página

El estudio parte de barras de 4140 de Ø20 mm, cortadas en probetas de 5 mm y templadas a 850 °C para uniformizar una martensita de partida. Composición típica del grado (C 0,38–0,43; Si 0,15–0,35; Mn 0,75–1,00; Mo 0,15–0,25; Cr 0,80–1,01; Fe, resto).

El tratamiento se hizo en un horno de nitrurado por plasma de descarga luminiscente, a 250–300 Pa, con dos familias de gas:

• Nitrurado: N₂ + H₂. El hidrógeno ayuda a subir la temperatura y sirve de diluyente; el nitrógeno es el elemento que endurece.
• Nitrooxidación: N₂ + H₂ + aire comprimido. El aire (20 % O₂ / 80 % N₂) es toda la fuente de oxígeno — detalle práctico importante: no hace falta instalar una línea de gas especial para añadir oxígeno al proceso.

La matriz de ensayos mueve una variable cada vez, con 4 horas de tratamiento estándar:

En la nomenclatura, PN es nitrurado por plasma y PON es nitrooxidación por plasma; el número que acompaña al PON (0,15 · 0,175 · 0,20 · 0,25) es la proporción de O₂ añadida respecto al nitrógeno.

Parámetro 1 — Temperatura: la ventana útil está entre 480 y 540 °C

A 400–480 °C el nitrógeno se disuelve en la red sin llegar a formar una capa de compuestos: la superficie es martensita con nitrógeno (αN) y aparecen trazas de ε-Fe₂₋₃N. A 520 °C la superficie pasa a estar dominada por ε-Fe₂₋₃N, el nitruro más duro y más resistente a la corrosión de la familia. A 560 °C aparece γ′-Fe₄N junto al ε: señal de que el nitrógeno superficial empieza a difundir demasiado rápido hacia el interior y la superficie queda «pobre» en nitrógeno.

La dureza sigue la misma lógica. La probeta sin tratar ronda los 360 HV0,1; el nitrurado por plasma sube la superficie por encima de 1000 HV0,1. La mejor combinación aparece a 520 °C: unos 1010 HV0,1 en superficie y —tan importante como el valor máximo— un gradiente de dureza suave hacia el núcleo. A 400–440 °C la capa es tan delgada que la dureza se desploma a pocas micras de profundidad: bajo carga de impacto, esa transición brusca es una invitación al desconchado de la capa. A 560 °C la dureza baja, por la menor concentración de nitrógeno y la presencia de γ′.

Los números de corrosión en 3,5 % NaCl ordenan los mismos extremos:

El dato que conviene enmarcar es el de 560 °C: su corriente de corrosión (1,21×10⁻⁵ A/cm²) es seis veces mayor que la del acero sin tratar (2,05×10⁻⁶). Un nitrurado sobrecalentado no solo no protege: puede corroerse más rápido que el material sin tratar, porque la capa ε+γ′ de grano grueso es porosa y frágil. En cambio, PN520-4 no solo tiene la menor corriente de corrosión de toda la serie, sino un margen de picadura ΔE = 314 mV (potencial de picadura +112,7 mV). Para el 4140, 520 °C no es una cifra de catálogo: es la frontera entre una capa que protege y una capa que falla.

Parámetro 2 — Atmósfera: primero el equilibrio N₂:H₂, después la pizca de oxígeno

La relación N₂:H₂ controla el potencial de nitrógeno dentro del horno. Los tres ensayos a 520 °C lo dejan claro:

• 1:3 (poco nitrógeno): capa delgada y gradiente que cae en picado dentro de las primeras 20 µm — mala señal para cargas de impacto.
• 1:1: superficie dominada por ε-Fe₂₋₃N, la mejor distribución de dureza de toda la serie y dureza superficial por encima de 1000 HV0,1. Es la atmósfera de referencia.
• 3:1 (exceso de nitrógeno): la superficie gana αN, la dureza superficial baja ligeramente y, en corrosión, el margen de picadura cae a 163,7 mV —la mitad que con 1:1—. Más nitrógeno no significa mejor capa.

Y aquí entra el oxígeno. Al añadir aire a la mezcla, la superficie desarrolla una capa de óxidos de 3–4 µm formada por magnetita (Fe₃O₄) y hematita (Fe₂O₃), con nanocristales de ε-Fe₂₋₃N distribuidos uniformemente dentro. El oxígeno juega un doble papel: forma esa capa de óxido y, además, actúa como catalizador del propio nitrurado —consume hidrógeno de la atmósfera (el H tiene más afinidad por el O que por el N), con lo que sube el potencial de nitrógeno y la capa resulta algo más profunda que sin aire—.

Pero la dosis lo es todo. Cuatro niveles de oxígeno, cuatro resultados distintos:

Leer la tabla es entender el proceso. Con oxígeno insuficiente (0,15), la capa crece demasiado y sale porosa: los huecos de la superficie acaban siendo puntos de desgaste y de ataque. En el otro extremo (0,25), el exceso de oxígeno compite con el nitrógeno, la capa de óxido se adelgaza a 3 µm y el gradiente de dureza se vuelve brusco. El óptimo está en 0,175: capa densa, contenido de magnetita máximo y el mejor comportamiento electroquímico de todo el estudio. Es una dosis estrecha — y precisamente por eso un tratamiento genérico «con un poco de aire» no da garantías.

Parámetro 3 — Tiempo: el ajuste fino (4, 6 u 8 horas)

Comparado con la temperatura, el tiempo mueve la aguja más despacio. Entre 4 y 8 horas la dureza superficial apenas cambia; lo que cambia es el espesor de capa, que crece, y el gradiente, que se suaviza. Donde el tiempo sí tiene voz propia es en la corrosión y la fricción:

• Corrosión (nitrurado 1:1): el margen de picadura sube de 314 mV (4 h) a 470 mV (6 h) y a 534 mV (8 h). La probeta de 8 h llega a i_corr = 6,6×10⁻⁸ A/cm², un orden de magnitud mejor que la de 4 h.
• Fricción (nitrurado 1:1): el coeficiente pasa de ~0,9 (4 h) a ~0,6 estables (6 h y 8 h).
• Nitrooxidación (O₂ 0,175): más tiempo engorda la capa de óxido rica en Fe₃O₄, la tasa de desgaste baja y la corrosión mejora; además, la subcapa de 10–20 µm —el punto flojo de la nitrooxidación frente al nitrurado— recupera dureza al prolongar el ciclo a 8 h.

Regla práctica: si hay que recortar algo por presupuesto, recórtese aquí y no en la temperatura. Pero cuando la pieza va a ambiente húmedo o salino, las horas extra de 6–8 h se pagan solas en vida útil.

Desgaste: el óxido como lubricante sólido

Los ensayos de fricción (esfera de GCr15, carga 5 N, 2000 s en seco) muestran dos comportamientos bien distintos:

El nitrurado cumple en dureza pero tiene un matiz incómodo: sube el coeficiente de fricción (~0,9) y no elimina el desgaste adhesivo. Una capa ε dura contra una esfera de acero sigue generando microsoldaduras; lo que salva la pieza es que la tasa de desgaste cae un orden de magnitud (96,3 % menos en PN520-4). La nitrooxidación corrige justo ese punto: la capa de magnetita actúa como lubricante sólido, la fricción baja a ~0,69 y se estabiliza, el mecanismo pasa de adhesivo a abrasivo+oxidativo, y PON0,175 recorta la tasa de desgaste un 47,3 % adicional frente al mejor nitrurado. En las fotos de huella, es también la probeta con la huella más estrecha, sin grietas ni desprendimientos.

Corrosión: aquí la nitrooxidación marca la diferencia

En polarización potenciodinámica (3,5 % NaCl), los mejores candidatos de cada familia quedan así:

PON0,175 alcanza un margen de picadura ΔE = 771 mV: más del doble que el mejor nitrurado (314 mV). La razón está en la física del óxido. La magnetita Fe₃O₄ tiene estructura de espinela inversa, es densa y electroquímicamente estable: bloquea el contacto del electrolito con el metal y amplía la zona de pasividad. La hematita Fe₂O₃, en cambio, es más porosa y no protege igual; de ahí que el objetivo del proceso sea maximizar Fe₃O₄ y minimizar Fe₂O₃ —exactamente lo que ocurre en la dosis 0,175—. Nótese también la simetría de los extremos: por debajo (0,15) y por encima (0,25) del óptimo, el ΔE se derrumba a 348 y 190 mV.

De los parámetros a la pieza: criterios de selección

Resumido en formato de decisión, para piezas reales de 4140 / 42CrMo4:

Y la lista de lo que conviene evitar, porque los datos lo demuestran:

• Temperaturas por encima de ~550 °C en 4140: la corrosión puede quedar peor que sin tratar (PN560-4 duplica la i_corr del material base… y la sextuplica si se compara con el óptimo de 520 °C).
• Dosis de aire del 0,25: capa más fina, gradiente brusco, peor corrosión. Dosificado, el oxígeno es un aliado; en exceso, desnitrura la superficie.
• Especificar «nitrurado» sin parámetros: sin temperatura, relación de gases y tiempo en el plano, no hay control del proceso, y sin control la capa es una lotería.

Tres preguntas bastan para auditar a un proveedor de tratamiento: ¿a qué temperatura? ¿con qué relación de gases? ¿cuántas horas? Si no hay respuesta numérica, la capa que recibirá su pieza no está definida —está solo prometida—.

Conclusiones

• La temperatura manda. Para el 4140, la ventana útil está entre 480 y 540 °C, con 520 °C como punto dulce (ε-Fe₂₋₃N, ~1010 HV0,1, mejor corrosión). Por encima de ~550 °C el tratamiento puede degradar la resistencia a la corrosión por debajo del material sin tratar.
• La atmósfera 1:1 es la referencia; el exceso de nitrógeno (3:1) no mejora nada y empeora la corrosión.
• El oxígeno, en dosis de ~0,175, construye una capa de 3–4 µm rica en magnetita: fricción ~25 % menor que el nitrurado, desgaste −47,3 % y margen de picadura ΔE 771 mV. Es el mejor seguro anticorrosión del estudio.
• El tiempo es ajuste fino: mejora corrosión y fricción (6–8 h), pero no compensa una temperatura mal elegida.
• Traducido a plano: o «nitrurado por plasma 520 °C, N₂:H₂ 1:1, 4 h», o «nitrooxidación 520 °C, O₂ 0,175, 6–8 h». Cualquier otra cosa, por escrito y con números.

En SHUNFU METAL suministramos barras y tubos de 4140 / 42CrMo4 (SAE 4140 · EN 1.7225 · GB 42CrMo) en estado templado y revenido, normalizado o recocido, con certificado de colada y trazabilidad completa. Si su plano exige capa nitrurada o nitrooxidada, hablemos primero de los números del proceso: es la diferencia entre comprar acero y comprar prestaciones.

Preguntas frecuentes