Tratamientos Térmicos en Aceros, Parte 3.

Tratamientos Termoquímicos de los Metales

    Mediante este tipo de tratamientos, el metal sufre procesos de calentamiento y enfriamiento y se varía la composición química superficial de los aceros, adicionando otros elementos para mejorar las propiedades en la superficie, principalmente la dureza o resistencia a la corrosión, sin modificar otras propiedades esenciales tales como ductilidad.

Cementación

    Es un tratamiento termoquímico que se aplica en piezas de acero. El proceso aporta carbono a la superficie mediante difusión, que se impregna modificando su composición; consiste en aumentar la cantidad de carbono de la capa exterior de los aceros. Se mejora la dureza superficial y la resiliencia. Se aplica a piezas que deben ser resistentes a golpes y la vez al desgaste. Se aplica a los aceros.

¿Cuál es su utilidad?

     Tiene por objeto endurecer la superficie de una pieza sin modificar su núcleo, originando una pieza formada por dos materiales: la del núcleo de acero (con bajo índice de carbono) tenaz y resistente a la fatiga, y la parte de la superficie (de acero con mayor concentración de carbono) 0,2% de carbono. Consiste en recubrir las partes a cementar de una materia rica en carbono, llamada cementante, y someter la pieza durante varias horas a altas temperaturas (típicamente, 900 °C). En estas condiciones, el carbono penetra en la superficie que recubre a razón de 0,1 a 0,2 mm por hora de tratamiento. A la pieza cementada se le da el tratamiento térmico correspondiente, temple y revenido, y cada una de las dos zonas de la pieza, adquirirá las cualidades que corresponden a su porcentaje de carbono.

     La cementación se aplica en todas aquellas piezas que deben poseer gran resistencia al choque y tenacidad junto con una gran resistencia al desgaste, como es el caso de los piñones, levas, ejes, entre otras.

¿Qué aceros pueden ser cementados?

     Los aceros de bajo contenido de carbono. El cromo acelera la velocidad de penetración del carbono. Los aceros al cromo níquel tienen buenas cualidades mecánicas y responden muy bien a este proceso. Una concentración de níquel por encima del 5% retarda el proceso de cementación.

   Según sean los requisitos de dureza y resistencia mecánica existen varios tipos de aceros adecuados para recibir el tratamiento de cementación y posterior tratamiento térmico. Entre ellos tenemos:

• Aceros para cementación al carbono: Cementación a 900 °C - 950 °C, primer temple a 880 °C - 910 °C en agua o aceite, segundo temple a 740 °C - 770 °C en agua. Revenido a 200 °C como máximo.

Aplicaciones: Piezas poco cargadas y de espesor reducido, de poca responsabilidad y escasa tenacidad en el núcleo.

• Aceros para cementación al Cr-Ni de 125 kgf/mm2: Tiene en su composición un 1% de Cr y un 4,15% de Ni. Cementación a 850 °C - 900 °C, primer temple a 900 °C - 830 °C en aceite, segundo temple a 740 °C - 780 °C en aceite. Revenido a 200 °C como máximo.

Aplicaciones: Piezas de gran resistencia en el núcleo y buena tenacidad. Elementos de máquinas y motores. Engranajes, levas, etc.

• Aceros para cementación al Cr-Mo de 95 kgf/mm2: Tiene en su composición un 1,15% de Cr y un 0,20% de Mo. Cementación a 890 °C - 940 °C, primer temple a 870 °C - 900 °C en aceite, segundo temple a 790 °C - 820 °C en aceite. Revenido a 200 °C como máximo.

Aplicaciones: Piezas para automóviles y maquinaria de gran dureza superficial y núcleo resistente. Piezas que sufran gran desgaste y transmitan esfuerzos elevados. Engranajes, levas, etc.

• Aceros para cementación al Cr-Ni-Mo de 135 kgf/mm2: Tiene en su composición un 0,65% de Cr, un 4% de Ni y un 0,25% de Mo. Cementación a 880 °C - 930 °C, primer temple a 830 °C - 860 °C con aire o aceite, segundo temple a 740 °C - 770 °C con aceite. Revenido a 200 °C como máximo.

Nitruración

   Consiste en endurecer la superficie de los aceros y fundiciones. Las durezas son elevadas y tienen alta resistencia a la corrosión. El componente químico añadido es nitrógeno, que se obtiene del amoniaco. El proceso modifica su composición añadiendo nitrógeno mientras es calentado. El resultado es un incremento de la dureza superficial de las piezas. También aumenta la resistencia a la corrosión y a la fatiga.

¿Cómo se aplica este tratamiento?

        La nitruración puede ser en horno o iónica. En el primer caso la pieza se introduce en un horno en el que se llena la atmósfera con amoníaco y luego se calienta a temperaturas de aproximadamente 500°C. Esto hace que el amoníaco se descomponga en nitrógeno e hidrógeno; el hidrógeno se separa del nitrógeno por diferencia de densidad y el nitrógeno, al entrar en contacto con la superficie de la pieza, forma un recubrimiento de nitruro de hierro.

         En el caso de la nitruración iónica, las moléculas de amoníaco se rompen mediante la aplicación de un campo eléctrico. Esto se logra sometiendo al amoníaco a una diferencia de potencial de entre 300 y 1000 V. Los iones de nitrógeno se dirigen hacia el cátodo (que consiste en la pieza a tratar) y reaccionan para formar el nitruro de hierro, Fe2N.

     Si bien este tratamiento da gran dureza superficial a la pieza, la velocidad de penetración es muy lenta, aproximadamente 1 mm en 100 horas de tratamiento, pero no necesita de temple posterior. Las partes de la pieza que no se deseen nitrurar se deben cubrir con un baño de estaño-plomo al 50%.

¿Cuál es su utilidad?

      Se aplica principalmente a piezas que son sometidas regularmente a grandes fuerzas de rozamiento y de carga, tales como pistas de rodamientos, camisas de cilindros, árboles de levas, engranajes sin fin, etc. Estas aplicaciones requieren que la piezas tengan un núcleo con cierta plasticidad, que absorba golpes y vibraciones, y una superficie de gran dureza que resista la fricción y el desgaste. Las piezas que se hayan pasado por un proceso de nitruración se pueden usar en trabajos con temperaturas de hasta 500 °C (temperatura de nitruración), temperatura a la cual el nitrógeno comienza a escaparse de la pieza, eliminando los efectos de la nitruración y disminuyendo la dureza de la pieza.

¿Qué aceros se pueden nitrurar?

     No todos los aceros son aptos para nitrurar, ya que en ocasiones el procedimiento puede resultar contraproducente, tales como los aceros al carbón, en los que el nitrógeno penetra demasiado rápido en la estructura y la capa nitrurada tiende a desprenderse. Para este proceso resulta conveniente que en la composición de la aleación haya una cierta cantidad de aluminio (1% aproximadamente). Algunos ejemplos de aceros aptos para la nitruración son:

• Acero para nitruración al Cr-Mo-V de alta resistencia: La composición extra de este acero es la siguiente: 0,32% C, 3,25% Cr, 0,40% Mo y 0,22%V. Una vez tratado alcanza una resistencia mecánica de 120 kg/mm2. La capa nitrurada se adhiere muy bien al núcleo sin temor a descascarillamiento. Se utiliza para construir piezas de gran resistencia y elevada dureza superficial para resistir el desgaste.
• Acero para nitruración al Cr-Mo-V de resistencia media: la composición extra de este acero es 0,25% C, 3,25%Cr, 0,40% Mo y 0,25% V. Tiene características y aplicaciones parecidos al anterior, solamente que su resistencia mecánica es de 100kg/mm2.
• Acero para nitruración al Cr-Al-Mo de alta dureza: la composición extra de este acero es 0,40% C, 1,50% Cr, 0,20% Mo y 1% Al. La capa nitrurada de este acero puede descascarillarse y es de gran fragilidad. Se utiliza para piezas que soporten una resistencia media y la mayor dureza superficial posible. Si la pieza es muy blanda puede ser recomendable un temple previo a la nitruración para endurecerla y evitar el descascarillamiento.

Este tratamiento también es aplicable a algunos aceros inoxidables, aceros al cromo-níquel y ciertas fundiciones al aluminio o al cromo.

Cianuración o carbonitruración

     Se trata de endurecer la superficie del material introduciendo carbono y nitrógeno. Es una mezcla de cementación y nitruración. La temperatura es intermedia entre la utilizada para la cementación y la nitruración, que es mucho menor que aquella. Se aplica a los aceros.

¿Cuál es su utilidad?

     Cuando se quiere obtener una superficie dura y resistente al desgaste, se debe efectuar un baño de cianuro fundido. La cianuración se puede considerar como un tratamiento intermedio entre la cementación y la nitruración ya que el endurecimiento se consigue por la acción combinada del carbono y el nitrógeno a una temperatura determinada.

¿Cómo se realiza este proceso?

      La cianuración se efectúa a una temperatura justamente por encima de la temperatura crítica del corazón de la pieza, se introduce la pieza en una solución que generalmente consta de cianuro de sodio con cloruro de sodio y carbonato de sodio, el enfriamiento se da directamente por inmersión al salir del baño de cianuro, con esto se obtiene una profundidad de superficie templada uniforme de unos 0.25 mm en un tiempo de una hora.

Sulfinación

     Se trata de introducir en la superficie del metal azufre, nitrógeno y carbono en aleaciones férricas y de cobre. Se aumenta la resistencia al desgaste, favorecer la lubricación y disminuir el coeficiente de rozamiento. El tratamiento consiste en elevar la temperatura de la pieza a 570°C en un baño de sales que ceden C, Ni, S. Se utiliza en aceros de bajo carbono donde la viruta no se corta sino que se deforma y es arrastrada acumulándose frente al ataque.

¿Qué consiste el proceso?

       La incorporación superficial de azufre genera sulfuro de hierro (S2Fe) como inclusión no metálica (impureza) y se aloja en los bordes de grano lo que fragiliza al metal, lo cual hace que disminuya el punto de fusión.

     Esto se logra sumergiendo las piezas en un baño apropiado y especialmente preparado, a una temperatura de 550ºC la pieza así tratada no ha sufrido ninguna deformación y ha adquirido una resistencia al desgaste que produce la fricción, tal, que jamás tratamiento alguno ha logrado hasta el presente. Esto constituye un verdadero acontecimiento. La sulfinizacion o nitruración al azufre, no solamente permite obtener excelentes resultados, sino que además, por primera vez se obtiene un rozamiento sin desgaste entre dos piezas fabricadas exactamente del mismo material y que han soportado un idéntico tratamiento térmico.

¿En qué metales pueden ser aplicada, tal proceso?

      Se aplica a todos los metales ferrosos, fundiciones y aceros aleados o no, comprendidos los aceros “inoxidables”. La presencia de los metales nobles en las aleaciones ferrosas favorece en general la sulfinización. Se aplica a todas la piezas terminadas, es decir, después que esta se haya fabricado y esta apta para su servicio funcional.

Carburización

    Difundir carbón en la superficie de aleaciones base hierro calentando hasta austenización en presencia de atmosfera rica en carbón. Dicho tratamiento seguido de un temple adecuado endurece la superficie del metal.

¿Cómo se lleva a cabo este tratamiento?

       Se realiza en una atmósfera endotérmica más un gas de enriquecimiento, para obtener un potencial de carbono suficiente, capaz de enriquecer la capa de porcentaje de carbono y el tiempo necesario para obtener la profundidad de capa deseada, templando en aceite para endurecer la capa y el núcleo de la pieza. Un revenido posterior para eliminar las tensiones originados durante el templado, y obtener que la superficie tenga la resistencia, dureza al desgaste requerido y el núcleo dúctil.