Thesis oral defense at Universidad Nacional de Rosario (Argentina) in 2012. Director: J.N. Feugeas, Advisor: M.D. Calzada Canalejo. Jury: O.A. de Sanctis, M.M. Milanese, R.R. Koropecki

1. Javier García Molleja
Director: Jorge Feugeas
Consejera: Mª Dolores Calzada
Tesis presentada para optar al grado de Doctor en Física

2.  El acero
 Tratamiento de superficies
 El plasma

3.  El acero es una combinación de hierro y
carbono (< 2 %) junto con la adición de otros
elementos a la aleación.
 El diagrama Fe-C presenta una zona de
interés cuando la concentración de carbono
es pequeña.
 Se dan fases cristalinas estables bajo
diferentes temperaturas, además de
localizarse un punto eutéctico.

4. La presencia de carbono en el acero puede dar lugar al desarrollo de
carburos, que cambian las propiedades del conjunto.
Los elementos aleantes también juegan un papel importante en
cuanto a las propiedades finales.
Las propiedades relevantes en los aceros son eléctricas, magnéticas,
térmicas y nucleares.

5.  En particular, los aceros inoxidables
contienen un mínimo de 11 % de cromo para
formar en su superficie una película pasivante
que impida la entrada de oxígeno a la
estructura.
 Se caracterizan por presentar gran resistencia
a la corrosión, a temperaturas elevadas y a
muy bajas temperaturas.
 Algunos contienen molibdeno, elemento que
le confiere resistencia a las picaduras.

6.  El acero austenítico presenta una estructura
cristalina fcc (cúbica centrada en las caras).
 Esta estructura es estable a altas temperaturas o
cuando el acero está fuertemente aleado con
níquel (3,5-22 %).
 Los aceros austeníticos tienen alta resistencia a la
corrosión, son soldables, con buen factor
higiene-limpieza, se utilizan en un amplio rango
de temperaturas, no son endurecibles por
tratamiento térmico y son de alta aplicabilidad.
 Uno de los aceros inoxidables austeníticos más
empleados es el AISI 316L, que es el que
utilizamos en esta tesis.

7.  La modificación superficial puede llevarse a
cabo de varias formas.
 Una de ellas es la implantación
iónica, proceso en el que iones de altas
energías penetran en la superficie
virtualmente como proyectiles.
 Otra es la difusión atómica, en donde los
átomos difunden al interior siguiendo la ley
de Fick.

8.  La cementación y la nitruración iónicas son
métodos utilizados en la modificación de
superficies, principalmente de aceros.
 Estos procesos se basan en la generación de
especies activas de C o N a través de la
formación de un plasma mediante una
descarga eléctrica en donde la superficie a
tratar se halla a potencial negativo.

9.  Los tratamientos de
modificación superficial se
llevan a cabo mediante
plasmas.
 Una descarga DC a baja
presión presenta una curva de
tensión-corriente como la de
la figura.
 Trabajamos en la región de
luminiscencia, denominada
glow.
 En esta región las
temperaturas de las especies
variarán mucho, en especial, la
temperatura electrónica será
elevada, lo que ayuda a llevar
a cabo procesos a
temperaturas del gas más
bajas, evitando degradaciones.
 Los átomos neutros se
excitarán por
colisiones, emitiendo
radiación visible.

10. En la descarga glow existirán zonas oscuras y luminosas.
En la región catódica se da la mayor caída de potencial. En esta zona
los iones positivos mayoritarios de la región son acelerados hacia el
cátodo y los electrones ganan energía para producir multitud de
ionizaciones y colisiones en la región del glow negativo. Es una zona
de alta intensidad lumínica y de densidad volumétrica de electrones.

11.  Reactores utilizados
 Instrumentos y principios físicos para la
caracterización

12.  Se emplearon alternativamente dos reactores.
1. Consta de una cámara de 8,8 L con dos ventanas. El
cátodo tiene una superficie de 164 cm2.
2. Consta de una cámara de 5,1 L con una única
ventana en la parte superior. Posee un cátodo de
265 cm2, donde se pueden encastrar probetas de 2
cm de diámetro y 6 mm de longitud.

13.  Vacío previo (bomba mecánica) de ~10-2 mbar.
 Limpieza de las superficies a tratar: plasma de
hidrógeno durante 15 minutos a 1,484 mbar.
 La presión de trabajo durante la cementación fue
de 5 mbar a temperaturas entre 400 y 410 ºC.
 Mezcla de gases en la cementación:
◦ C50-: Consta de 50 % de Ar, 45 % de H2 y 5 % de CH4.
◦ C80-: Consta de 80 % de Ar, 15 % de H2 y 5 % de CH4.
 Tiempos de tratamiento utilizado:30, 60 o 120
minutos.

14.  Para comparar la cementación con la
nitruración se realizan tratamientos de esta
última técnica. Composición de la mezcla
gaseosa:
◦ 80 % de H2 y 20 % de N2.
 Tiempo de tratamiento: 80 minutos.

15.  Microscopía Óptica: microscopio OLYMPUS
MG (perteneciente al Laboratorio de
Metalurgia del IMAE).
 Difracción de Rayos X en Ángulo Rasante
(GIXRD): difractómetro PHILIPS X’Pert. Con
una fuente de Cu K a 40 kV y 30 mA. El rayo
incidente es un haz paralelo de 4x4 mm2.
 Ángulos de incidencia utilizados: 2 o 10º
(0,7-3 m de profundidad). Barrido entre 30
y 80º. Pasos de 0,03º y 1 s.

16.  Microindentación Vickers: microdurómetro
SHIMAZDU HMV-2 (perteneciente al IMAE). La
punta es de diamante con base rectangular
formando un ángulo de 136º entre caras
opuestas. Se aplican distintas cargas durante 10-
15 s.
 Tribología: método ball-on-disc. Tribómetro
TRM100 Dr.Ing. GEORG WAZAU. Bola de alúmina
de 5 mm de radio, velocidad lineal de 0,1 m/s,
8842 revoluciones y huella a 9 mm del centro de
la probeta. Estas condiciones implican una
distancia de recorrido de 500 m. La carga fue de
10 N. No existe lubricación.

17. Observando la sección de la huella
se conoce el valor de desgaste
sufrido a través del volumen
eliminado por unidad de longitud:
1 2
S r ( sen )
2
El ángulo se obtiene al conocer el
diámetro de la huella, D, y el radio
r de la bola:
2
D
arc cos 1 2
2r

18.  Corrosión: Inmersión durante 60 días de las
probetas más una de material base en un litro
de agua con una concentración de NaCl de
5,85 % de peso en volumen.
 Espectroscopia Electrónica de Auger (AES):
dispositivo PERKIN ELMER (perteneciente al
INTEC, Santa Fe). Sputtering con iones de Ar a
4 keV con una corriente de 15 mA. El cañón
electrónico es de 2 keV y 2 A de corriente.
Presión de trabajo 5,33·10-8 mbar.

19.  Haz Iónico Focalizado (FIB): se recurre a un
haz de iones de galio a 30 kV y 10 pA en un
dispositivo FEI Helios NanoLab™ 600 -
(Dualbeam), perteneciente a la Universidad de
Roma Tre, Italia. Un detector recoge
electrones e iones secundarios. El dispositivo
puede funcionar también como SEM
(Microscopio Electrónico de Barrido). Se
pueden alcanzar aumentos de 350000X.

20.  Conceptos sobre la austenita expandida
 Estudio sobre el material base
 Estudio sobre los aceros tratados
superficialmente
◦ Estudio Auger
◦ Estudio de dureza
◦ Estudio de desgaste
◦ Estudio de corrosión
 Resistencia de la austenita expandida a la
irradiación y temperatura
◦ Resistencia de la austenita expandida a la irradiación
 Resistencia de la austenita expandida a la irradiación: efecto
sobre la dureza
◦ Resistencia de la austenita expandida a la temperatura

21.  Los resultados experimentales muestran que
tanto el C como el N se alojan en la red por
difusión rápida alcanzando porcentajes de
hasta 38 % de N y 28 % de C sin apreciarse
precipitados.
 Esta Supersaturación Colosal de estos
elementos en la austenita dan lugar a lo que
se conoce como austenita expandida, que
puede obtenerse a partir de un 12 % de
concentración de C o N.

22.  El acero inoxidable austenítico tiene una
estructura cristalina fcc, que presenta huecos
intersticiales tetraédricos y octaédricos.
 Considerando a la red como constituida por
solo Fe con el C alojado en los huecos, la red
se expandirá 33,6 pm si se localiza en un
octaédrico y 86,8 pm si lo hace en un
tetraédrico.

23.  La austenita expandida permite una mayor
concentración de carbono en la red que su
máxima solubilidad en un diagrama Fe-C.
 El C tiene menos solubilidad que el N (por menor
afinidad con el Cr), por lo que la concentración
será menor, así como la expansión, pero el
espesor de la capa será mayor.
 La estructura de la austenita expandida es fcc
tensionada y con defectos, aunque hay autores
que indican que puede ser triclínica o tetragonal.

24.  Los iones de carbono creados por el plasma
se implantarán en la red, difundiéndose
según las leyes de Fick.
 La formación de una solución estable o un
compuesto dependerán de las energías libres
de Gibbs involucradas en el proceso.
 La difusión, por tanto, es un proceso
térmicamente activado.

25.  Llevando a cabo cálculos del camino libre
medio del ión de carbono y las propiedades
del plasma se puede determinar que se
implantará en la red a 5 Å de profundidad al
llegar con una energía de 55 eV (estimación
teniendo en cuenta el tamaño de la caída
catódica y la densidad en el medio).
 Debido a sus bajas energías los iones se
neutralizan rápidamente en la red.

26.  Mediante GIXRD se
determina el parámetro
de red aplicando la ley de
Bragg a los tres picos
principales.
 Utilizando el método de
Nelson-Riley (representar
los parámetros de red
frente a cotag( )·cos ( ) y
determinar el intercepto)
tenemos que a= 3,584 Å.

27.  Con cargas de 25 y 300 g determinamos que
la dureza del material base es de 264 HV, o
2,589 GPa.
 Con las condiciones experimentales para la
sesión de desgaste obtenemos un valor de S=
2,23·10-8 m3/m.
 El ataque corrosivo en solución de cloruros
no muestra picaduras ni agresión
externa, propiedad típica del acero AISI 316L.

28. Los datos experimentales para C50- son los siguientes:
Probeta Tiempo Presión Tensión Corriente Temperatura
(min) (mbar) (V) (A) (ºC)
C50-030 30 4,985 572 1,14 401
C50-060 60 5,001 545 1,08 406
C50-120 120 4,982 549 1,35 411
Los datos de las sesiones C80- se consignan en la siguiente tabla:
Probeta Tiempo Presión Tensión Corriente Temperatura
(min) (mbar) (V) (A) (ºC)
C80-030 30 4,993 415 1,43 409
C80-060 60 4,993 455 1,39 404
C80-120 120 4,984 520 1,36 406

29.  La densidad de corriente para las sesiones
C50- fue de 7,0 mA/cm2, mientras que para
las C80- fue de 8,1 mA/cm2.
 Se aprecia una película externa de grafito
compuesta por carbono que no ha podido
entrar dentro de la estructura. Con una
proporción de metano menor a 5 % se evita la
aparición de hollín.

30. Con Microscopía Óptica se analiza la
sección transversal de las probetas.
Se observa que a mayor tiempo de
tratamiento se alcanza un mayor espesor
de la capa de austenita expandida.
El espesor de la probeta C50-030 es de
14 m (arriba), mientras que el de la
probeta C80-120 es de 27 m (abajo).
La interfase resulta bien definida.
La capa de austenita expandida es
resistente al ataque corrosivo con ácido
oxálico.

31.  Mediante FIB se observa la zona superior transversal de la
austenita expandida. No se observan carburos de Hägg.
 a) muestra las diferentes orientaciones cristalográficas del
material base, con anchura entre 2-5 m y b) muestra la
cantidad de defectos y fallos de apilamiento de la probeta C50-
030, con anchura de las maclas entre 0,5-2 m.
 La parte más superficial es resultado del proceso de pulido.

32.  Los difractogramas a 10º de
incidencia muestran la
estructura típica de la
austenita, con los planos
(111), (200) y (202) pero
desplazados a menores
ángulos, indicando mayor
parámetro de red.
 Representando la expansión
de las muestras C50- y
C80- con el método de
Nelson-Riley se observa que
la mayor expansión se logra
en los primeros 30
minutos, correspondiendo a
un 90 % de la expansión
total a 120 minutos.

33. Probeta Parámetro de red (Å) Expansión (%)
C50-030 3,660 2,12
C50-060 3,661 2,15
C50-120 3,666 2,29
Probeta Parámetro de red (Å) Expansión (%)
C80-030 3,654 1,95
C80-060 3,669 2,37
C80-120 3,659 2,09

34.  Mediante AES podemos determinar el perfil elemental en
los primeros 156 nm de profundidad (65 minutos de
sputtering).
 En las C50- la cantidad de Fe crece hasta un valor
estacionario (62 %). El C es máximo en la superficie pero
cae su concentración al 15 % rápidamente. El O es un
contaminante superficial que desaparece en las primeras
capas. El Cr va aumentando poco a poco su concentración.

35.  Para las probetas C80- el Fe va creciendo con la profundidad
hasta un 60 %. El C decrece respecto a su concentración
superficial hasta un valor estacionario que crece con el tiempo
de tratamiento: a) 15 %, b) 14 % y c) 28 %.
 La concentración de Cr va aumentando con la profundidad,
aunque a los 5 minutos de sputtering alcanza un máximo de
concentración (21 %) conformando una cúpula, que indica un
enriquecimiento superficial por sputtering preferencial.

36.  Con AES es posible determinar el estado químico
en el que se encuentra el carbono en la red
austenítica expandida.
 La técnica se denomina Análisis de Factor.
 Se puede determinar la proporción de carbono
ligado químicamente (tipo carburo) y la de
carbono disuelto libremente (tipo grafito).
 El C carburo está presente en todas las probetas
y aumenta con la profundidad. Su origen se debe
a las altas densidades superficiales de corriente
(> 7,0 mA/cm2).

38.  Para los primeros 2000 nm se aplica indentación Berkovich
con diferentes cargas sobre la superficie.
 Para la C50-030 la dureza superficial es de 11,8 GPa y para
la C80-030 es de 11,0 GPa. Ambos valores se alcanzan a
profundidad de 200 nm.
 A la profundidad máxima analizada la dureza decrece de la
misma manera en ambas probetas, hasta llegar a 8 GPa.

39.  A mayor profundidad de 2 m la
técnica anterior deja de ser
válida, por lo que se recurre a
nanoindentaciones Vickers en la
sección transversal de la
probeta.
 La dureza máxima se alcanza a
los 10 m de
profundidad, donde C50-030
alcanza 7,5 GPa y C80-030
posee una dureza de 8,8 GPa.
 La dureza decrece hasta los 15
m de
profundidad, manteniendo un
valor constante de 5,2 GPa de
dureza hasta la máxima
profundidad analizada.

40.  Para mayores profundidades
de 140 m es necesario
aplicar indentaciones Vickers
con cargas de 300 g.
 Los ensayos se realizan a
partir de la interfase austenita
expandida-material base
hasta profundidades de 6
mm.
 La dureza de C50-030 es de
2,84 GPa, mientras que para
C80-030 es de 2,70 GPa. A
profundidades de 1 mm el
valor de dureza disminuye
hasta 2,50 GPa, valor cercano
al del material base.

41. R
v

42.  La austenita expandida es la responsable del
aumento de la resistencia al desgaste.
 Se observa una mejora de la resistencia al
desgaste y una reducción de la fricción a
mayor tiempo de tratamiento. Esto se debe a
que el carbono libre de tipo grafítico actúa
como lubricante sólido.
Probeta S (m3/m) W%
C50-030 1,34·10-8 60
C50-060 0,15·10-8 7
C50-120 5,22·10-8 234
C80-030 0,36·10-8 16
C80-060 0,34·10-8 15
C80-120 0,16·10-8 7

43.  En la superficie se observa a simple vista una capa
adjudicada a grafito.
 Para las probetas C50- se observan regiones con
manchas grisáceas de 80 m de diámetro, que son en
realidad agrupaciones de picaduras de 5 m de
diámetro. Fuera de las agrupaciones tienen un
tamaño de 0,5 m.
 La mayor concentración de picaduras se da en los
bordes de grano y en las bandas de deslizamiento,
por ser centros de alta energía creados por la
precipitación de Cr, que se liga al C.
 Se pierde la calidad del acero base ante la corrosión,
pero es un efecto únicamente superficial.
 Para las probetas C80- la corrosión es generalizada y
se observa una penetración cercana a los 2 mm.

45.  Se analizan probetas cementadas y nitruradas
de acero AISI 316L ante la irradiación con
haces de iones ligeros energéticos y su
comportamiento ante tratamientos térmicos
prolongados donde la superficie puede estar
recubierta por nitruro de aluminio.

46.  Las probetas utilizadas para este estudio
fueron tratadas con temperaturas que
oscilaron entre 400-410 ºC, con un tiempo
de 80 minutos.
 Para la cementación se usa una mezcla de 50
% de Ar, 45 % de H2 y 5 % de CH4.
 Para la nitruración se usa una mezcla de 80 %
de H2 y 20 % de N2.
 Para la nitruración la densidad de corriente
fue de 1,55 mA/cm2 y para la cementación
fue de 2,08 mA/cm2.

47.  El proceso de bombardeo con
iones ligeros se lleva a cabo
mediante un dispositivo de
plasma focus de 2 kJ tipo Mather
con un ánodo de 40 mm de
diámetro.
 Vacío previo (limpieza): 0,013
mbar.
 Presión de trabajo: 1,6 mbar de
deuterio (D) o helio (He).
 Tensión de carga del banco de
condensadores (4 F): 31 kV.
 La probeta se coloca a 82 mm del
ánodo, por lo que la densidad de
potencia desarrollada es de 10
MW/cm2.
 Se cubre la mitad de la probeta
con una lámina de acero.
 Número de descargas sobre las
probetas 1, 5 y 10 descargas.

48. Cementada, 1 descarga de D Cementada, 10 descargas de He
 La morfología superficial se analiza mediante Microscopía Óptica a 500X.
 Las probetas cementadas no presentan efectos diferentes con respecto al tipo de
gas empleado en el bombardeo (D o He).
 A mayor número de descargas aumenta la densidad de cráteres y eyección de
material.
 Los fuertes gradientes térmicos (que en las primeras capas se pueden alcanzar
1500 ºC en los primeros nanosegundos) provocan la creación de bandas de
deslizamiento entrecruzadas.

49. Nitrurada, 1 descarga de D Nitrurada, 10 descargas de He
 En el caso de las probetas nitruradas tampoco se observan diferencias al
cambiar la naturaleza de los iones.
 Sin embargo, se determina que las muestras nitruradas presentan
menos resistencia al bombardeo iónico que las cementadas.
 Aparecen cráteres y zonas de eyección, junto al descamado superficial
por los fuertes gradientes térmicos involucrados.
 A mayor número de descargas empieza a observarse la fusión de las
primeras capas.

50. Cementada, 1 pulso de He Cementada, 5 pulsos de D Nitrurada, 5 pulsos de D
 Los análisis de FIB/SEM utilizando Ga+ nos sirven para determinar con
más detalle la morfología superficial, así como su sección transversal.
 Ambos tipos de gases empleados para la irradiación provocan cráteres
en la superficie.
 En las probetas cementadas se localizan bandas de deslizamiento
entrecruzadas. En la probeta nitrurada se localizan grietas y
abombamiento por la fusión de las primeras capas.

51. Cementación, 1 descarga de He Cementación, 5 descargas de D Nitruración, 5 descargas de D
 La sección transversal muestra que existen granos que están
tensionados por el proceso de bombardeo.
 Las probetas con varios pulsos de gas muestran la fusión y amorfización
de las primeras capas del acero.
 A 3 m de profundidad los efectos térmicos no elevan la temperatura
hasta el punto de fusión.
 También se observa la aparición de cristalitas que pueden ser la
nucleación y crecimiento breve de acero austenítico tensionado.

52.  La formación de cristalitas se
da mayoritariamente a los tres
micrómetros de profundidad.
 La elevación de temperatura
provoca el reinicio de los
procesos difusivos, dejando
esta zona sin elementos
expansores (C o N).
 El rápido descenso de
temperatura frena el
crecimiento de cristalitas de
acero inoxidable austenítico,
formando gotas de 36 nm de
diámetro o agregados de estas.
 La matriz amorfa inducirá las
fuertes tensiones residuales.

53.  Mediante GIXRD incidiendo a 2 y 10º se puede
analizar la estructura cristalina de las probetas
bombardeadas, que corresponden a profundidades de
sondeo de 0,7 y 3 m, respectivamente.
 La parte oculta presenta un difractograma semejante
al que tiene antes de llevar la probeta al plasma focus.
Cementada, con pulsos de D Nitrurada, con pulsos de D

54.  Se analiza únicamente el pico (111), aunque el
comportamiento es idéntico para los picos (200) y (202).
 A número creciente de disparos el pico se va desplazando
a mayores valores angulares, es decir, a menores
parámetros de red.
 Existe otro pico que aparece siempre en la posición
angular de 43,3º.
 En combinación con FIB/SEM, el desplazamiento de picos
puede estar relacionado con el aumento de temperatura y
la difusión de N o C hacia el interior, perdiendo
gradualmente la expansión de la red fcc.
 El pico anclado a 43,3º puede estar originado por las
cristalitas presentes en los primeros 3 m de material.
Este valor representa un parámetro de red de 3,6163
Å, con una expansión relativa de 0,90 %.

55. Cementada, con pulsos de He Nitrurada, con pulsos de He
 En estos dos casos se vuelve a advertir la pérdida de expansión
austenítica con un número creciente de pulsos.
 Para la probeta cementada no aparece el pico fijo en
43,3º, coincidiendo con la ausencia de cristalitas analizadas
mediante FIB/SEM.
 Para la muestra nitrurada sí aparece dicho pico. Al estar
superpuesto se intuye que la pérdida de expansión se dará hasta
que el parámetro de red coincida con el del pico anclado en
43,3º.

56. Tratamiento de cementación sobre acero AISI 316L
Disparos Deuterio (Å) Expansión (%) Helio (Å) Expansión (%)
0 3,6696 2,39 3,6779 2,62
1 3,6545 1,97 3,6529 1,92
5 3,6491 1,82 3,6557 2,00
10 3,6429 1,64 3,6504 1,85
Tratamiento de nitruración sobre acero AISI 316L
Disparos Deuterio (Å) Expansión (%) Helio (Å) Expansión (%)
0 3,8073 6,23 3,7984 5,98
1 3,7491 4,61 3,7415 4,39
5 3,6691 2,37 3,6743 2,52
10 3,6468 1,75 3,6556 2,00

57.  Para iones ligeros, el efecto de la irradiación
parece no depender de la masa iónica.
 El efecto es dependiente (acumulativo) del
número de descargas.
 La mayor expansión de la red (AE) se logra
mediante la nitruración, pero la degradación
de la expansión es del mismo nivel en ambos
tratamientos cuando sufre la superficie un
número elevado de descargas.

58.  Mediante indentaciones Vickers con cargas de
25 g se puede determinar la dureza
superficial.
Acero AISI 316L nitrurado
Disparos Deuterio (HV) Helio (HV)
0 999±51 965±61
1 827±34 815±34
10 --- ---
Acero AISI316L cementado
Disparos Deuterio (HV) Helio (HV)
0 461±25 443±34
1 364±34 293±6
10 366±16 367±14

59.  Los valores de la AE se realizaron sobre la zona
oculta por la lámina. Los valores son semejantes
a antes de llevar la probeta al plasma focus.
 La dureza de las probetas nitruradas es mayor
que la de las cementadas.
 A diez pulsos en la nitruración se produce la
fusión superficial y su amorfización. No se pudo
medir el valor de dureza. No se observan
diferencias al cambiar de gas para bombardeo.
 Para la cementación los valores de dureza al
utilizar D no cambian mucho, pero sí para el He.

60.  Los choques térmicos hacen desplazar el pico
(111) a mayores ángulos, ya que se reactivan
los procesos difusivos.
 Para determinar los mecanismos de este
proceso se llevaron a cabo tratamientos
térmicos prolongados.
 Se recurrió a la deposición de una lámina de
nitruro de aluminio (AlN) para comprobar sus
propiedades como barrera contra la
oxidación.

61.  La deposición se lleva a cabo mediante sputtering por
magnetrón, en su modo reactivo.
 Se usa un magnetrón con blanco de Al de alta pureza
y se aplica una tensión de 260 V en modo DC y una
corriente de 154 mA. La densidad de potencia es de
5,01 W/cm2. Previamente se hizo a cabo una limpieza
con Ar e H2 durante 15 minutos y se colocó un
obturador 20 minutos para que la descarga sea
estable.
 El proceso se lleva a cabo en un reactor de 94,03 L
tras hacer un vacío de 9,60·10-5 mbar y purgar con
Ar.
 La atmósfera de trabajo es de 50 % de Ar y 50 % de
N2 a 6,65·10–3 mbar y flujo de 12,0 mL/min.
 La probeta se coloca a 3 cm del blanco.

62.  Bajo estas condiciones la tasa de deposición
es de 11 nm/min, por lo que alcanzamos un
espesor total de 330 nm tras 30 minutos de
deposición.
 La capa no posee estructura cristalina al ser
la rugosidad del sustrato (el acero austenítico
nitrurado o cementado) muy elevada.
 Las muestras nitruradas o cementadas con
capas de AlN, y sin ella, fueron sometidas a
un horno a temperaturas de 225, 325, 405 y
504 ºC durante tiempos de 20, 40 y 60 horas.

63.  Mediante GIXRD a 2º de
incidencia analizamos una
probeta cementada con capa
superior de AlN y otra sin ella.
Ambas fueron tratadas durante
60 horas a 405 ºC.
 Se observa que la capa de AlN
evita la entrada de oxígeno en
la estructura, puesto que se
reducen en gran cantidad los
picos adjudicados a α-Fe2 O3.
 El resto de picos que aparecen
junto a los de óxido y
austenita expandida pueden
ser adjudicados a la existencia
de Cr3C2, por lo que la
presencia de AlN no influye en
los procesos que se dan de
por sí en la austenita
expandida.

64.  Los análisis se llevan a cabo en los
picos (111), puesto que el
comportamiento es análogo en los
(200) y (202).
 El análisis es independiente de si
existe o no capa superior de AlN.
 Para la muestra cementada se realizan
análisis mediante GIXRD a 10º.
 Para 225 y 325 ºC no se observa
desplazamiento acusado del pico a
mayores valores angulares respecto a
la muestra cementada antes de llevar
al horno. Puede que existan
fenómenos de reacomodamiento.
 El tiempo parece no tener efecto en la
reducción del parámetro de red.
 A 405 y 504 ºC se observa mayor
grado de desplazamiento, debido a
que se ha superado en mayor medida
el umbral de activación de los
procesos difusivos.

65. Muestra de acero austenítico inoxidable AISI 316L cementado
sometido a tratamientos de alta temperatura durante tiempos
prolongados. Previamente, su parámetro de red se calculó en
3,6880 Å, que equivale a una expansión relativa de 2,90 %.
Temperatura Tiempo Parámetro de red Expansión
(ºC) (h) (Å) (%)
225 20 3,6858 2,84
225 40 3,6841 2,79
325 20 3,6800 2,68
405 20 3,6594 2,10
405 40 3,6531 1,93
405 60 3,6521 1,90
504 20 3,6318 1,33

66.  En el caso de tratamientos
térmicos en probetas
nitruradas los análisis GIXRD a
10º muestra un
comportamiento similar.
 La activación de los
fenómenos de difusión tiene
lugar a partir de 300 ºC, pero
la fuerza de conducción aún
es pequeña.
 Cuando la temperatura llega a
la de nitruración utilizada (400
ºC) los procesos difusivos se
desencadenan en gran
medida, por lo que la
reducción del parámetro de
red es mucho mayor que a
temperaturas más bajas.

67. Probeta de acero AISI 316L nitrurada sometida a altas temperaturas
y tiempos prolongados. Antes del experimento térmico su
parámetro de red fue de 3,7082 Å, que equivale a una expansión
de3,46 %.
Temperatura Tiempo Parámetro de red Expansión
(ºC) (h) (Å) (%)
225 20 3,7308 4,10
225 40 3,7294 4,06
325 20 3,7173 3,72
405 20 3,6801 2,68
405 40 3,6756 2,56
405 60 3,6710 2,43
504 20 3,6398 1,56

68.  Se investigó la modificación superficial del
acero AISI 316L mediante nitruración y
cementación mediante plasma glow a baja
presión (5 mbar) con tensión DC. Estos
procesos dan lugar a la formación de
austenita expandida.
 Se investigó la estabilidad de la austenita
expandida frente a la irradiación con haces de
iones ligeros pulsados y de altas energías, y
frente a temperaturas elevadas durante
tiempos prolongados.

69.  La austenita original del acero sufre una
rápida expansión en los primeros 30 minutos
de proceso.
 La estructura generada es austenita
expandida, sin precipitados macroscópicos.
 Para la cementación iónica (AES), el C ligado
se forma en la primera media hora, tras esto
se adiciona en forma grafítica.
 Las altas densidades de corriente son las que
provocan la aparición de carburos.

70.  La dureza es mayor que la del material base
hasta los 0,7 mm de profundidad, alcanzando
un valor máximo en la superficie de 12 GPa.
 La resistencia al desgaste se mejora a mayor
tiempo de tratamiento debido a la actuación
del C grafítico como lubricante sólido.
 La resistencia a la corrosión presenta
desmejoras justo en la superficie (156 nm de
profundidad).

71.  Bajo irradiación iónica con D y He se aprecia
mayor resistencia de la austenita expandida
por cementación que por nitruración iónica.
 Para un tratamiento dado, los efectos son
indiferentes a la masa de los iones utilizados
con que se irradie.
 La estructura se degrada por los choques
térmicos que activan la difusión y la fusión y
amorfización superficiales.
 Aparecen cristalitas de acero austenítico
fuertemente tensionado, generando un pico
de difracción en 43,3º.

72.  La estructura cristalina se degrada a altas
temperaturas y tiempos prolongados.
 Una capa depositada de AlN evita la
oxidación superficial.
 La degradación no cambia mucho por el
tiempo a una temperatura fija.
 A partir de 405 ºC, que es la temperatura de
trabajo para la generación de la austenita
expandida, se acelera el proceso de
degradación.

73.  La austenita expandida induce sobre la superficie
de los aceros inoxidables austeníticos una alta
dureza y una alta resistencia al desgaste.
 En el caso de la cementación iónica, la
generación de una capa con C no químicamente
combinado (grafítico) aumenta aún más su
resistencia al desgaste por su efecto lubricante.
 Las propiedades anticorrosivas pueden
mantenerse siempre que se remuevan los
primeros 156 nm, en donde se desarrollan
incipientemente carburos, no presentes por
debajo de estos valores.

74.  A mis padres, hermano y tía madrina, por su apoyo.
 A Geo, por su amor y ayuda.
 A Jorge y Liliana por el afecto y por estar ahí en todo
momento.
 Al Grupo Física del Plasma, por la amistad e interesantes
conversaciones.
 A la gente de taller y de electrónica, por los aportes en los
experimentos e ideas de diseño.
 A los becarios e investigadores de la UNR y de los demás
sitios que colaboraron con nosotros en la creación de este
trabajo.
 A los profesores y amigos de Física de la UCO.
 Al colectivo hBirra y asociados, por su amistad e
integración.
 A la gente de España, por los buenos reencuentros y
anécdotas.
 A Horacio por su buena relación con todos los que conocía
y ayuda en los experimentos. No te olvidamos.

75.  19 de marzo. ¡Viva la Pepa!