Estudio tribológico de un acero 4140 sujeto a tratamientos termoquímicos de borurado, nitrurado y boronitrurado

Abstract

En este trabajo se presentan los resultados obtenidos del estudio tribológico en acero AISI 4140 y la propuesta de mejora mediante tratamientos termoquímicos. Los tratamientos propuestos son el borurado, nitrurado y boronitrurado. El borurado se basa en la incorporación de boro en la superficie formando boruros mejorando las propiedades del acero AISI 4140. De la amplia gama de métodos existentes se utiliza el borurado en pasta a partir de polvo que cubre las muestras previamente introducidas en un contenedor y sometidas a altas temperaturas en un horno o mufla convencional. El nitrurado enriquece la superficie del acero AISI 4140 con nitrógeno formando nitruros mejorando también las propiedades del material. La nitruración gaseosa es utilizada en el presente estudio al ser un método de uso común en la actualidad. Esta metodología se basa en el uso de amoniaco el cual se descompone en nitrógeno e hidrógeno, el nitrógeno obtenido formará el recubrimiento en la superficie de la pieza. Como propuesta de un tratamiento multicapas se realiza un boronitrurado mediante el uso de los tratamientos de borurado y nitrurado mencionados, en las mismas condiciones y realizados de manera sucesiva en una pieza de acero AISI 4140. La realización de las muestras se determina mediante el uso de un diseño de experimentos multinivel considerando diferentes parámetros de operación de los tratamientos como factores. Por otro lado, y a manera de confirmación, se propone un diseño de experimentos factorial para analizar estadísticamente el comportamiento de la microdureza superficial. Para evaluar las mejoras se realizan pruebas de adhesión por indentación, desgaste por “pin en disco”, microdureza superficial y transversal. De las muestras obtenidas se realiza su caracterización para entender mejor el comportamiento y analizar los resultados de las pruebas ejecutadas. Los resultados nos permiten concluir que, a mayor tiempo de exposición de los tratamientos, la microdureza y la profundidad de la capa aumentan mientras que la apariencia física, el comportamiento al desgaste, el coeficiente de fricción y adherencia empeoran. El borurado presenta resultados satisfactorios, un tratamiento de nitrurado es el que presenta un comportamiento óptimo mientras que el boronitrurado presenta el menor desempeño en las pruebas realizadas y es de interés seguir conociendo su comportamiento.