Nitriding y nitrooxidación por plasma del 4140 / 42CrMo4: por qué 520 °C y el oxígeno lo cambian todo
Nitrooxidación por plasma sobre 4140: la capa que endurece y, bien hecha, también protege
Por Harris, técnico de SHUNFU METAL
Un trabajo de investigación (Dai Xizhang) analiza la microestructura y las propiedades de la capa de niturado por plasma frente a la de nitrooxidación en acero 4140. El propio texto lo dice con claridad: el AISI 4140 (norma estadounidense) corresponde al 42CrMo chino. Conviene fijar la equivalencia al principio, porque el niturado se especifica por norma y por número de pieza, y una misma capa puede llamarse 4140, 42CrMo o 42CrMo4 según el mercado.
| Designación | Norma | C | Cr | Mo | Mn |
|---|---|---|---|---|---|
| 4140 (EE. UU.) | SAE/ASTM A29 | 0.38–0.43 | 0.80–1.10 | 0.15–0.25 | 0.75–1.00 |
| 42CrMo (China) | GB/T 3077 | 0.38–0.45 | 0.90–1.20 | 0.15–0.25 | 0.50–0.80 |
| 42CrMo4 / 1.7225 (Europa) | EN 10083-3 | 0.38–0.45 | 0.90–1.20 | 0.15–0.30 | 0.60–0.90 |
El estudio usa barras Ø20 mm cortadas a 5 mm, con un pretratamiento de temple a 850 °C para uniformizar la martensita de partida. La composición medida (Tabla 2.1) es de manual: C 0.38–0.43, Si 0.15–0.35, Mn 0.75–1.0, Mo 0.15–0.25, Cr 0.8–1.01, hierro de balance. Los procesos de niturado y nitrooxidación se caracterizan con las técnicas estándar equivalentes en las tres tradiciones: ASTM E1185 / ISO 10094 para la profundidad de la capa y ASTM B117 / ISO 9227 para ensayos de corrosión acelerada.
La tesis: no es el niturado, es la ventana de proceso
Mi lectura es directa: el niturado por plasma sobre 4140 no es un seguro automático. Mal parametrizado, puede empeorar la corrosión respecto al material sin tratar. Bien parametrizado —520 °C, N₂:H₂ = 1:1 y una gota de oxígeno— convierte un acero de baja aleación en una superficie dura, de baja fricción y notablemente más estable. La diferencia entre ambas situaciones son tres números: temperatura, proporción de gas y contenido de O₂.
Qué capas se forman
La capa de nitruro se compone de aN (ferrita expandida con nitrógeno), ε-Fe₂₋₃N y γ′-Fe₄N. Al subir la temperatura, la aN se transforma en nitruros: a 520 °C la superficie es casi toda ε; a 560 °C aparecen ε + γ′. En nitrooxidación se añaden óxidos, Fe₂O₃ y sobre todo Fe₃O₄, con nanopartículas de ε repartidas en una capa de óxido de 3–4 µm. La Tabla siguiente resume la matriz de ensayo (presión 250–300 Pa, 4 h):
| Muestra | T (°C) | N₂:H₂ | O₂ añadido | Fase dominante |
|---|---|---|---|---|
| PN520-4 | 520 | 1:1 | — | ε-Fe₂₋₃N |
| PN560-4 | 560 | 1:1 | — | ε + γ′ |
| PON0.15 | 520 | 1:1 | 0.15 | ε + óxido poroso |
| PON0.175 | 520 | 1:1 | 0.175 | máx. Fe₃O₄ |
| PON0.20 | 520 | 1:1 | 0.20 | óxido denso |
| PON0.25 | 520 | 1:1 | 0.25 | óxido más fino |
Dureza: ~1000 HV y un matiz que casi nadie mira
Ambos procesos llevan la superficie a unos 1000 HV₀.₁. Entre 400 y 520 °C la dureza sube y el gradiente se suaviza; a 560 °C cae, por la pérdida de nitrógeno superficial y la aparición de γ′. La nanoindentación (Tabla 4.1) revela algo contraintuitivo: la superficie del PON0.175 es más blanda que la del PN (3,34 frente a 7,20 GPa), pero la subcapa a 10 µm sigue siendo muy dura. Es decir, el óxido es una lámina blanda y deslizante sobre un cimiento duro.
| Zona | H (GPa) | E (GPa) | Wₜ (nJ) | Wₚ (nJ) | ηₚ (%) | H/E |
|---|---|---|---|---|---|---|
| PN superficie | 7.204 | 198.958 | 0.578 | 0.412 | 71.3 | 0.036 |
| PON0.175 superficie | 3.336 | 105.565 | 0.340 | 0.269 | 79.1 | 0.032 |
| PN 10 µm | 11.698 | 210.397 | 0.854 | 0.540 | 63.2 | 0.056 |
| PON0.175 10 µm | 9.297 | 191.704 | 0.575 | 0.346 | 60.2 | 0.048 |
En fricción, el mensaje es nítido: el niturado puro baja el desgaste (PN520-4 reduce la tasa 96,3 % frente al sin tratar) pero no elimina el desgaste adhesivo. La nitrooxidación sí: el óxido hace de sólido lubricante y PON0.175 recorta el desgaste un 47,3 % adicional respecto al niturado. Mecanismo dominante: abrasión + oxidación.
Corrosión: el dato que desmonta un mito
Aquí está la parte más valiosa. En polarización potenciodinámica, el óptimo es PN520-4: potencial de corrosión −201,3 mV vs SCE, corriente de corrosión 7,54×10⁻⁷ A/cm² y un margen de picadura ΔE = 314 mV. Pero a 560 °C el tratamiento es peor que no tratar nada: icorr sube a 1,21×10⁻⁵ A/cm², por encima de la del material sin recubrir (2,05×10⁻⁶). La capa porosa de γ′+ε a alta temperatura acelera la corrosión en lugar de frenarla.
| Muestra | Ecorr (mV vs SCE) | icorr (A/cm²) | Epitting (mV) | ΔE (mV) |
|---|---|---|---|---|
| Sin tratar | −641,5 | 2,05×10⁻⁶ | — | — |
| PN400-4 | −529,0 | 1,45×10⁻⁶ | — | — |
| PN480-4 | −447,6 | 2,68×10⁻⁶ | — | — |
| PN520-4 | −201,3 | 7,54×10⁻⁷ | +112,7 | 314,0 |
| PN560-4 | −571,4 | 1,21×10⁻⁵ | −299,3 | 272,0 |
El efecto de la atmósfera refuerza la idea: con N₂:H₂ = 1:1 la capa es la más protectora; con 3:1 el ΔE cae a 163,7 mV y la corriente sube, porque el exceso de nitrógeno genera una capa más frágil y con microgrietas. El oxígeno, en su punto justo (0,175), cierra el círculo: forma una magnetita Fe₃O₄ densa y electroquímicamente estable que sube todavía más la resistencia al picado.
Qué debería concluir un comprador
Defiendo una idea simple frente a quien especifica “niturado” a secas: el término no garantiza nada. Exija temperatura (520 °C), relación de gases (1:1) y, si hay fricción o ambiente húmedo, nitrooxidación con ~0,175 de O₂ para asegurar Fe₃O₄. Un niturado sobrecalentado a 560 °C puede dejar la pieza más vulnerable que sin tratar. La capa no es un extra estético: es una promesa electroquímica, y solo se cumple dentro de una ventana estrecha de proceso.