Comportamiento al desgaste y corrosión del acero inoxidable martensítico AISI 420 nitrurado y nitrocarburado por plasma en procesos de corta duración

Abstract

debido a su versatilidad, ya que puede ser fabricado de distintas formas y con variadas composiciones químicas, lo que le otorga diversas propiedades mecánicas y aplicaciones. Dentro de este grupo, los aceros inoxidables martensíticos se emplean cuando se requieren buenas propiedades mecánicas, aunque su resistencia a la corrosión es inferior a la de los aceros inoxidables austeníticos y ferríticos. Esto se debe a la formación de carburos de cromo durante el temple y revenido, los cuales disminuyen el cromo libre necesario para formar una capa pasivante protectora. Para mejorar las propiedades mecánicas sin comprometer su resistencia a la corrosión, la Ingeniería de Superficies se dedica a investigar y desarrollar tratamientos superficiales. Este proyecto de investigación se enfoca en el estudio de los procesos de nitruración y nitrocarburación asistidos por plasma aplicados a un acero inoxidable martensítico DIN 1.4021, utilizando tres temperaturas diferentes de proceso 400, 420 y 440 oC durante 2 horas, con el objetivo de mejorar sus propiedades mecánicas y resistencia a la corrosión. Se observaron las capas tratadas con microscopia óptica y se determinó su espesor. Se utilizó la difracción de rayos X (DRX) para analizar las fases formadas en la superficie del acero posteriormente a los tratamientos. Se realizaron mediciones de dureza en superficie y en profundidad. En cuanto al comportamiento tribológico, se llevaron a cabo ensayos de desgaste tipo Pin-on-Disk según la norma ASTM G99, de abrasión por un cuerpo utilizando el Scratch Test según norma ASTM G171-03 y de abrasión con rueda de goma-arena según norma ASTM G65-94. Además, se realizaron ensayos de corrosión tales como la prueba de pasivación con gota de sulfato de cobre, ensayo de niebla salina y ensayos potenciodinámicos para evaluar la resistencia a la corrosión en ambientes corrosivos. La dureza superficial aumentó 2,5 veces con respecto a la muestra patrón y la profundidad de penetración fue de 20 μm en las muestras tratadas a 420 y 440 °C. La muestra nitrurada a 440°C tuvo un espesor de capa de 15,4 ± 0,5 μm. En los ensayos de desgaste, en general todas las muestras mostraron mejoría con respecto a la muestra patrón, se destacan las dos muestras tratadas a 440 °C, nitruradas y nitrocarburadas, pues lograron menores pérdidas de volumen y masa durante los ensayos. En cuanto a los ensayos de corrosión, en el ensayo de niebla salina desarrollaron una combinación de corrosión general y por picado, siendo la muestra nitrurada a 440 °C la que menos área corroída tuvo. Mientras que en el ensayo de potenciodinámico se destacó la muestra nitrocarburada a 440 oC al mostrar una zona cuasi-pasiva, mayor potencial de corrosión y menor cantidad de pits de corrosión. Los resultados obtenidos muestran una mejora significativa en la dureza y resistencia al desgaste de las muestras tratados mediante nitruración y nitrocarburación y una moderada mejora en el comportamiento a la corrosión comparado con el acero sin tratar. Estos resultados demuestran que estos tratamientos de corta duración aplicados al acero inoxidable martensítico DIN 1.4021 son efectivos para mejorar sus propiedades superficiales.

Steel is a widely used material in various industries due to its versatility, since it can be manufactured in different forms and with various chemical compositions, granting it diverse mechanical properties and applications. Among these, martensitic stainless steels are used when good mechanical properties are required, although their corrosion resistance is poorer than austenitic and ferritic stainless steels. This is due to the formation of chromium carbides during heat treatment, which decreases the free chromium necessary to form a protective passive layer. To improve the mechanical properties without compromising corrosion resistance, Surface Engineering focuses on researching and developing surface treatments. This research project focuses on the study of nitriding and nitrocarburizing processes assisted by plasma, applied to a martensitic stainless steel DIN 1.4021, using three different temperatures 400oC, 420oC, 440oC for 2 hours, with the aim of improving its mechanical properties and corrosion resistance. The microstructure of the treated layers was observed using optical microscopy, revealing changes in the microstructure caused by the treatments. X-ray diffraction (XRD) was used to analyze the phases formed on the surface of the steel after surface treatments. Additionally, surface and depth hardness measurements were made. Regarding tribological behavior, wear tests were conducted using the Pin-on-Disk method according to ASTM G99, abrasion by a body using the Scratch Test according to ASTM G171-03, and abrasion with a rubber-sand wheel according to ASTM G65-94. Additionally, corrosion tests were performed, such as the copper sulfate passivation test, salt spray testing, and potentiodynamic tests to evaluate corrosion resistance in corrosive environments. The surface hardness increased up to 2,5 times the untreated sample one and the penetration depth for the treatment was of about 20 μm in samples treated at 420 and 440°C. The nitrided sample at 440oC showed the thickest layer, 15.4 ± 0.5 μm. In the wear tests, in general, all samples showed improvement compared to the untreated sample. The two samples treated at 440°C (nitrided and nitrocarburized) showed lower volume and mass losses during testing. Regarding corrosion tests, in the salt spray test, a combination of general and pitting corrosion was developed on the treated samples. The PN440 sample showed the smallest corroded area. In the potentiodynamic test, the PNC440 sample stood out for showing a quasi-passive zone, higher corrosion potential, and fewer corrosion pits. The results obtained show a significant improvement in the hardness and wear resistance of the treated samples and a moderate improvement in corrosion behavior compared to the untreated sample. These results demonstrate that short-duration surface treatments applied to martensitic stainless steel DIN 1.4021 are effective in improving its mechanical and tribological properties in demanding conditions without compromising its corrosion resistance.