Tratamientos termoquímicosSe llama tratamiento termoquímico al aumento en la composición química superficial del acero por difusión de un elemento determinado (C, N, Al, Cr y otros) desde el medio exterior y a alta temperatura. Estose produce en tres etapas:1) separación, en la atmósfera, del elemento difundidor al estado atómico;por ejemplo:a) disociación del amoníaco para obtener nitrógeno (nitruración gaseosa)3 2 2NH → 2N + 3Hb) disociación del monóxido de carbono para obtener carbono (cementación)CO → CO +C 2 22) contacto de los átomos del elemento difundidor con la superficie del acero y formación de enlaces químicoscon los átomos del metal base3) difusión hacia el interior del metal.La velocidad de difusión de los distintos elementos en la red cristalina del hierro depende del tipo desolución sólida que formen con él; proceden con más facilidad los formadores de soluciones intersticialesque los sustitucionales.Materiales y Procesos 17La concentración final en la superficie depende de la actividad química del medio, de manera deasegurar la afluencia de átomos del elemento hacia ella, y de la velocidad de difusión que los conduce al interior del metal.La profundidad de capa obtenida depende de la temperatura y del tiempo de difusión, así como de la concentración del elemento en la superficie.9.3.2.1- CementaciónEs el proceso por el cual se incorpora carbono en la capa superficial del acero. Con ello se logra una superficie de alta dureza que le proporciona resistencia al desgaste después de un temple, y aumenta el límite de fatiga. Como se realiza en aceros de no más de 0.35 % de C, el núcleo conserva su capacidad deabsorber energía de impacto.La profundidad de capa debe ser tal que no se produzcan deformaciones permanentes en ella. Por lo tanto, será tanto mayor (de 0.8 a 1.4 mm.) cuanto más grande sea el esfuerzo a que está sometida la misma. Si sólo se requiere resistencia al desgaste, se usan capas de baja profundidad (0.1 a 0.5 mm.).La cementación se realiza a temperatura superior a Ac3 (900 a 950ºC) de modo que el carbono difunde en la red cristalina del hierro γ; cuando se alcanza el límite de saturación de la austenita, en la superficie se puede formar una capa de cascarilla. Pero esto raramente se observa; en las condiciones normales, durante la cementación sobre Ac3 se forma sólo austenita, y, luego del enfriamiento lento, los productos de su transformación (ferrita y cementita).La capa cementada tiene una concentración variable de carbono en su espesor (Fig. 20), decreciente hacia el interior de la pieza; el objetivo es obtener la composición eutectoide en la superficie.Fig. 20: Distribución de carbono desde la superficie9.3.2.1.1- Procesos de cementacióna- Cementación sólidaEl medio cementante es carbón vegetal‚ activado con CO Ba 3 . Las piezas, después de una limpieza preliminar, se colocan en cajas de acero inoxidable o refractario de forma rectangular o cilíndrica, entre capas Materiales y Procesos 18sucesivas del carbón cementante. Una vez tapada la caja, los bordes se recubren con arcilla refractaria o con una mezcla de arcilla y arena de río diluída en agua hasta un estado pastoso, y se coloca en el horno.La temperatura de cementación es entre 910 y 930ºC y el tiempo se establece en base a las dimensiones de la caja y a la profundidad de capa deseada. El aumento de la temperatura hasta 950 a 1000ºC con el empleo de carburantes menos activos y de aceros originalmente de grano fino, no propensos al recalentamiento, permite acelerar considerablemente la cementación.

Agregando carbonatos se activa fuertemente el medio cementante. El porcentaje de activador a agregar depende del porcentaje de carbono deseado en la superficie. De todas maneras, este proceso presenta el inconveniente de la imposibilidad de un control efectivo.b- Cementación líquidaEl baño de sales está contenido en crisoles de acero refractario calentados por gas o eléctricamente.Son sales de cianuro de sodio (CNNa)‚ que, a través de sucesivas reacciones químicas con el oxígeno del aire, producen carbono elemental que difunde hacia el interior del acero.Se usa como activador del proceso el cloruro de bario (Cl2Ba), que acelera la descomposición del cianuro. Las sales están constituídas por 15 a 20 % de CNNa + 15 a 20 % de Cl2Ba + CO3Na2. Diariamente se controla la composición del baño, agregando cianuro y eliminando carbonato si fuera necesario.Presenta el mismo inconveniente que la cementación sólida, en cuanto a la dificultad en la regulación del potencial de carbono.POTENCIAL DE CARBONO: unidad que se da a la atmósfera cementante y corresponde al porcentaje de C que puede dar en la superficie a una determinada temperatura.c- Cementación gaseosaEs la más ampliamente usada debido a una serie de ventajas con respecto a los procesos descritos anteriormente. Con la cementación gaseosa es posible:1) obtener la concentración de carbono prefijada en la capa;2) reducir el tiempo de duración del proceso;3) automatizarlo totalmente;4) simplificar el tratamiento térmico posterior de la pieza, haciendo un temple directamente en el horno integral.El proceso se realiza en un horno que debe ser hermético a la entrada de aire y mantener uniformidad de temperatura y atmósfera.Se requiere disponer de un gas portador, neutro, que se obtiene en un generador de gases y cuyo caudal debe llenar completamente el horno, y un gas cementante‚ que habitualmente es metano. El potencial de carbono de la atmósfera del horno queda regulado por las proporciones de ingreso de ambosgases.Las principales reacciones que se producen en el horno son2CO ↔ [C]+CO2 (CO del generador de gases)

[ ] 4 2 CH ↔ C + 2H (CH4 del gas cementante)como éstas son reversibles, la regulación del proceso se hará controlando las presiones parciales de los gases presentes y fijando [C]‚ en el valor de carbono que se desea en la superficie de la pieza.Materiales y Procesos 199.3.2.1.2- Control de la profundidad de capaExisten dos valores que suelen estar especificados en los planos:- profundidad de capa total: distancia desde la superficie en la que la concentración de carbono es 0,07% mayor que la del acero, y- profundidad de capa efectiva: distancia a la que se alcanza 45 a 50 % de perlita, o su equivalente 0,45% de carbono, o bien, más exactamente, una dureza de HRc 50 en la pieza templada.La profundidad de capa efectiva es lo más usado en la práctica. Su valor queda determinado por el tiempo y la temperatura del proceso.Trabajando con una mezcla de gases que provea un potencial de carbono de 0.8, el tiempo del proceso suele ser muy largo. Por lo tanto, el mismo se desdobla en dos etapas. La primera o etapa de cementación, se efectúa con un potencial de aproximadamente 1.10; posteriormente éste se baja a 0.8, llevándose a cabo la denominada etapa de difusión.9.3.2.1.3- Tratamiento térmico posteriorLas propiedades finales de las piezas cementadas resultan del tratamiento térmico que se realiza después de la cementación. Este tratamiento tiene el objetivo de:1) corregir la estructura y afinar el grano del núcleo y de la capa cementada, que inevitablemente se recalientan durante la exposición prolongada a alta temperatura;2) obtener una alta dureza en la capa;

3) eliminar la red de carburo que pueda haberse formado.En la mayoría de los casos, sobre todo durante el tratamiento de aceros de grano fino, se efectúa un temple desde los 820 a 850ºC. Esto asegura el afino del grano de la capa cementada, la recristalización parcial y afino del grano del núcleo. Después de la cementación gaseosa frecuentemente se templa después de bajar la temperatura del horno de cementación a 780-800ºC.A veces el tratamiento consiste en el doble temple y revenido. El primero con un calentamiento a 880- 900ºC, para corregir la estructura del núcleo y disolver la red de cementita que no vuelve a formarse con un enfriamiento rápido. El segundo temple, con un breve calentamiento a 760-780ºC, elimina el recalentamientode la capa y le da alta dureza. Este tratamiento puede introducir imperfecciones debido a su complejo proceso tecnológico, a la elevada distorsión que se produce en las piezas de configuración complicada, a las posibilidades de oxidación y decarburación.La operación final en todos los casos es el revenido a baja temperatura (160-180ºC), obteniéndose martensita revenida con una dureza que alcanza los 59-63 HRc.La estructura del núcleo depende de la composición del acero que se trata y del proceso de temple adoptado, pero siempre debe mantener buenas condiciones de ductilidad.Después de la cementación de aceros de alta aleación, en la capa se conserva gran cantidad de austenita retenida, que disminuye la dureza. Estos aceros deben tratarse a temperaturas bajo cero, de modo de completar la transformación de esa austenita en martensita y así aumentar la dureza considerablemente.9.3.2.2- NitruraciónSe llama nitruración al proceso de saturación de la superficie del acero con nitrógeno, por medio del calentamiento de éste en amoníaco o en sales fundidas de cianuro de potasio o sodio, a 480-700ºC. La nitruración aumenta la dureza de la capa superficial, su resistencia al desgaste, el límite de fatiga y la resistencia a la corrosión en medios tales como el aire, agua, vapor, etc. La dureza de la capa nitrurada se Materiales y Procesos 20 conserva durante el calentamiento hasta altas temperaturas (600-650ºC), a diferencia de la capa cementada,que por su estructura martensítica, conserva su dureza sólo hasta 200-250ºC.La nitruración se usa ampliamente en piezas tales como engranajes, cilindros de motores de alta potencia, cigüeñales, etc.El nitrógeno, que difunde hacia el interior de la pieza, forma compuestos con el hierro cuyas características varían con la concentración del mismo en cada punto. Las fases presentes a las distintas profundidades se pueden analizar en el diagrama de equilibrio Fe-N de la Fig. 21. Estas fases constituyen lacapa superficial, denominada capa de compuestos, blanca, de pequeño espesor y extremada dureza. Por debajo de ésta, hay una zona denominada capa de difusión, que es la que confiere resistencia a la fatiga ya que el nitrógeno, además de formar nitruros, distorsiona la red cristalina del hierro.9.3.2.2.1. Aceros para nitruraciónA pesar de las grandes transformaciones estructurales, la dureza de la capa nitrurada no es muy alta.Por esta razón, se someten a este proceso aceros de medio contenido de carbono, aleados al aluminio, cromo, molibdeno, vanadio, etc, que adquieren una dureza y resistencia al desgaste especialmente alta debido a la formación de nitruros como Cr2N, Mo2N, AlN. Estos precipitan en forma dispersa, dificultando el movimiento de las dislocaciones y aumentando así la dureza de la capa.9.3.2.2.2- Procesos de nitruracióna- Nitruración gaseosaNormalmente se realiza entre 500 y 550ºC bajo una corriente de amoníaco que se disocia a esa temperatura, actuando el hierro como catalizador2 NH3 → 2 N + 6 HN + xFe → FexN (nitruro de hierro)El control del proceso se realiza determinando el grado de disociación del amoníaco, esto es la cantidad que sale del horno de nitruración.Fig. 21: Diagrama de equilibrioFe—N, estructura y variación de la concentración de nitrógeno en la capa nitrurada, obtenida a la temperatura tD.Materiales y Procesos 21b- Nitruración líquida

Las sales de cianuro, por las que se hace burbujear aire, sufren la siguiente reacción: OCNC →

CNOK (cianato) O2

2 CNOK → C03K2 + CO + 2 NLos procesos duran de 1 a 4 horas, obteniéndose capas de espesores menores que en la nitruración gaseosa: capa de difusión de 0.4 a 0.5 mm. y capa de compuestos de 15 μm. Si se pretenden mayores profundidades de capa, aumenta la porosidad en la zona de compuestos, disminuyendo la resistencia al desgaste y dureza.9.3.2.2.3. Tecnología del proceso de nitruraciónIncluye las siguientes operaciones:1- Tratamiento térmico preliminar, que consiste en el temple y revenido a alta temperatura del acero, y que tiene como objetivo controlar las propiedades del núcleo de la pieza. El revenido se realiza entre 600 y 675ºC, superando la temperatura máxima de la nitruración posterior y de modo de garantizaruna dureza apropiada para el mecanizado.2- Mecanizado de las piezas y rectificado a las dimensiones definitivas.3- Protección de las zonas no sometidas a nitruración por medio de una capa delgada de plomo electrolítico o vidrio líquido. El plomo, a la temperatura de nitruración, se funde y gracias a su tensión superficial forma una delgada película impermeable al nitrógeno.4- Nitrurado.5- Rectificado final de la pieza.

Se conoce como tratamiento térmico el proceso al que se someten los metales u otros sólidos con el fin de mejorar sus propiedades mecánicas, especialmente la dureza, la resistencia y la tenacidad. Los materiales a los que se aplica el tratamiento térmico son, básicamente, el acero y la fundición, formados por hierro y carbono.También se aplican tratamientos térmicos diversos a los sólidos cerámicos.

Propiedades mecánicas

Artículo principal: Propiedades mecánicas de los materiales

Las características mecánicas de un material dependen tanto de su composición química como de la estructura cristalina que tenga. Los tratamientos térmicos modifican esa estructura cristalina sin alterar la composición química, dando a los materiales unas características mecánicas concretas, mediante un proceso de calentamientos y enfriamientos sucesivos hasta conseguir la estructura cristalina deseada.

Entre estas características están:

Resistencia al desgaste: Es la resistencia que ofrece un material a dejarse erosionar cuando está en contacto de fricción con otro material.

Tenacidad: Es la capacidad que tiene un material de absorber energía sin producir fisuras (resistencia al impacto).

Maquinabilidad: Es la facilidad que posee un material de permitir el proceso de mecanizado por arranque de viruta.

Dureza: Es la resistencia que ofrece un acero para dejarse penetrar. Se mide en unidades BRINELL (HB) o unidades ROCKWEL C (HRC), mediante el test del mismo nombre.

Mejora de las propiedades a través del tratamiento térmico [editar]

Las propiedades mecánicas de las aleaciones de un mismo metal, y en particular de los aceros, reside en la composición química de la aleación que los forma y el tipo de tratamiento térmico a los que se les somete. Los tratamientos térmicos modifican la estructura cristalina que forman los aceros sin variar la composición química de los mismos.

Esta propiedad de tener diferentes estructuras de grano con la misma composición química se llama polimorfismo y es la que justifica los tratamientos térmicos. Técnicamente el poliformismo es la capacidad de algunos materiales de presentar distintas estructuras cristalinas, con una única composición química, el diamante y el grafito son polimorfismos del carbono. La α-ferrita, la austenita y la δ-ferrita son polimorfismos del hierro. Esta propiedad en un elemento químico puro se denomina alotropía.

Propiedades mecánicas del acero [editar]

El acero es una aleación de hierro y carbono que contiene otros elementos de aleación, los cuales le confieren propiedades mecánicas especificas para su utilización en la industria metalmecánica.

Los otros principales elementos de composición son el cromo, tungsteno, manganeso, níquel, vanadio, cobalto, molibdeno, cobre, azufre y fósforo. A estos elementos químicos que forman del acero se les llama componentes, y a las distintas estructuras cristalinas o combinación de ellas constituyentes.

Los elementos constituyentes, según su porcentaje, ofrecen características especificas para determinadas aplicaciones, como herramientas, cuchillas, soportes, etcétera. La diferencia entre los diversos aceros, tal como se ha dicho depende tanto de la composición química de la aleación de los mismos, como del tipo de tratamiento térmico a los que se les somete.

Tratamientos térmicos del acero [editar]

El tratamiento térmico en el material es uno de los pasos fundamentales para que pueda alcanzar las propiedades mecánicas para las cuales está creado. Este tipo de procesos consisten en el calentamiento y enfriamiento de un metal en su estado sólido para cambiar sus propiedades físicas. Con el tratamiento térmico adecuado se pueden reducir los esfuerzos internos, el tamaño del grano, incrementar la tenacidad o producir una superficie dura con un interior dúctil. La clave de los tratamientos térmicos consiste en las reacciones que se producen en el material, tanto en los aceros como en las aleaciones no férreas, y ocurren durante el proceso de calentamiento y enfriamiento de las piezas, con unas pautas o tiempos establecidos.

Para conocer a que temperatura debe elevarse el metal para que se reciba un tratamiento térmico es recomendable contar con los diagramas de cambio de fases como el de hierro–hierro–carbono. En este tipo de diagramas se especifican las temperaturas en las que suceden los cambios de fase (cambios de estructura cristalina), dependiendo de los materiales diluidos.

Los tratamientos térmicos han adquirido gran importancia en la industria en general, ya que con las constantes innovaciones se van requiriendo metales con mayores resistencias tanto al desgaste como a la tensión. Los principales tratamientos térmicos son:

Temple: Su finalidad es aumentar la dureza y la resistencia del acero. Para ello, se calienta el acero a una temperatura ligeramente más elevada que la crítica superior Ac (entre 900-950 °C) y se enfría luego más o menos rápidamente (según características de la pieza) en un medio como agua, aceite, etcétera.

Revenido: Sólo se aplica a aceros previamente templados, para disminuir ligeramente los efectos del temple, conservando parte de la dureza y aumentar la tenacidad. El revenido consigue disminuir la dureza y resistencia de los aceros templados, se eliminan las tensiones creadas en el temple y se mejora la tenacidad, dejando al acero con la dureza o resistencia deseada. Se distingue básicamente del temple en cuanto a temperatura máxima y velocidad de enfriamiento.

Recocido: Consiste básicamente en un calentamiento hasta temperatura de austenitización (800-925 °C) seguido de un enfriamiento lento. Con este tratamiento se logra aumentar la elasticidad, mientras que disminuye la dureza. También facilita el mecanizado de las piezas al homogeneizar la estructura, afinar el grano y ablandar el material, eliminando la acritud que produce el trabajo en frío y las tensiones internas.

Normalizado: Tiene por objeto dejar un material en estado normal, es decir, ausencia de tensiones internas y con una distribución uniforme del carbono. Se suele emplear como tratamiento previo al temple y al revenido.

Tratamientos termoquímicos del acero [editar]

Los tratamientos termoquímicos son tratamientos térmicos en los que, además de los cambios en la estructura del acero, también se producen cambios en la composición química de la capa superficial, añadiendo diferentes productos químicos hasta una profundidad determinada. Estos tratamientos requieren el uso de calentamiento y enfriamiento controlados en atmósferas especiales.

Entre los objetivos más comunes de estos tratamientos están aumentar la dureza superficial de las piezas dejando el núcleo más blando y tenaz, disminuir el rozamiento aumentando el poder lubrificante, aumentar la resistencia al desgaste, aumentar la resistencia a fatiga o aumentar la resistencia a la corrosión.

Cementación (C): aumenta la dureza superficial de una pieza de acero dulce, aumentando la concentración de carbono en la superficie. Se consigue teniendo en cuenta el medio o atmósfera que envuelve el metal durante el calentamiento y enfriamiento. El tratamiento logra aumentar el contenido de carbono de la zona periférica, obteniéndose después, por medio de temples y revenidos, una gran dureza superficial, resistencia al desgaste y buena tenacidad en el núcleo.

Nitruración (N): al igual que la cementación, aumenta la dureza superficial, aunque lo hace en mayor medida, incorporando nitrógeno en la composición de la superficie de la pieza. Se logra calentando el acero a temperaturas comprendidas entre 400 y 525 °C, dentro de una corriente de gas amoníaco, más nitrógeno.

Cianuración (C+N): endurecimiento superficial de pequeñas piezas de acero. Se utilizan baños con cianuro, carbonato y cianato sódico. Se aplican temperaturas entre 760 y 950 °C.

Carbonitruración (C+N): al igual que la cianuración, introduce carbono y nitrógeno en una capa superficial, pero con hidrocarburos como metano, etano o propano; amoníaco (NH3) y monóxido de carbono (CO). En el proceso se requieren temperaturas de 650 a 850 °C y es necesario realizar un temple y un revenido posterior.

Sulfinización (S+N+C): aumenta la resistencia al desgaste por acción del azufre. El azufre se incorporó al metal por calentamiento a baja temperatura (565 °C) en un baño de sales.

Ejemplos de tratamientos [editar]

Endurecimiento del acero [editar]

El proceso de endurecimiento del acero consiste en el calentamiento del metal de manera uniforme a la temperatura correcta (ver figura de temperaturas para endurecido de metales) y luego enfriarlo con agua, aceite, aire o en una cámara refrigerada. El endurecimiento produce una estructura granular fina que aumenta la resistencia a la tracción (tensión) y disminuye la ductilidad. El acero al carbono para herramientas se puede endurecer al calentarse hasta su temperatura crítica, la cual se adquiere aproximadamente entre los 790 y 830 °C, lo cual se identifica cuando el metal adquiere el color rojo cereza brillante. Cuando se calienta el acero la perlita se combina con la ferrita, lo que produce una estructura de grano fino llamada austenita. Cuando se enfría la austenita de manera brusca con agua, aceite o aire, se transforma en martensita, material que es muy duro y frágil.

Temple y revenido: Bonificado [editar]

Después que se ha endurecido el acero es muy quebradizo o frágil lo que impide su manejo pues se rompe con el mínimo golpe debido a la tensión interior generada por el proceso de endurecimiento. Para contrarrestar la fragilidad se recomienda el temple del acero (en algunos textos a este proceso se le llama revenido y al endurecido temple). Este proceso hace más tenaz y menos quebradizo el acero aunque pierde algo de dureza. El proceso consiste en limpiar la pieza con un abrasivo para luego calentarla hasta la temperatura adecuada (ver tabla), para después enfriarla con rapidez en el mismo medio que se utilizó para endurecerla.

Tabla de temperaturas para revenido de acero endurecidoColor Grados C Tipos de aceros

Paja claro 220 Herramientas como brocas, machuelosPaja mediano 240 Punzones dados y fresasPaja obscuro 255 Cizallas y martillos

Morado 270 Árboles y cinceles para maderaAzul obscuro 300 Cuchillos y cinceles para aceroAzul claro 320 Destornilladores y resortes

Recocido [editar]

El recocido es el tratamiento térmico que, en general, tiene como finalidad principal el ablandar el acero, regenerar la estructura de aceros sobrecalentados o simplemente eliminar las tensiones internas que siguen a un trabajo en frío. (Enfriamiento en el horno).

Recocido de Regeneración [editar]

También llamado normalizado, tiene como función regenerar la estructura del material producido por temple o forja. Se aplica generalmente a los aceros con más del 0.6% de C, mientras que a los aceros con menor porcentaje de C sólo se les aplica para finar y ordenar su estructura

Ejemplo:

Después de un laminado en frío, donde el grano queda alargado y sometido a tensiones, dicho tratamiento devuelve la microestructura a su estado inicial.

Recocido de Globulización [editar]

Usado en aceros hipoeutectoides para ablandarlos después de un anterior trabajo en frío. Por lo general se desea obtener globulización en piezas como placas delgadas que deben tener alta embutición y baja dureza. Los valores más altos de embutición por lo general están asociados con la microestructura globulizada que solo se obtiene en un rango entre los 650 y 700 grados centígrados. Temperaturas por encima de la crítica producen formación de austenita que durante el enfriamiento genera perlita, ocasionando un aumento en la dureza no deseado. Por lo general piezas como las placas para botas de protección deben estar globulizadas para así obtener los dobleces necesarios para su uso y evitar rompimiento o agrietamiento. Finalmente son templadas para garantizar la dureza. Es usado para los aceros hipereutectoides, es decir con un porcentaje mayor al 0,89 % de C, para conseguir la menor dureza posible que en cualquier otro tratamiento, mejorando la maquinabilidad de la pieza. La temperatura de recocido está entre AC3 y AC1.

Ejemplo [editar]

- El ablandamiento de aceros aleados para herramientas de más de 0.8% de C.

Recocido de Subcrítico [editar]

Para un acero al carbono hipoeutectoide: La microestructura obtenida en este tratamiento varía según la temperatura de recocido. Por lo general las que no excedan los 600 grados liberarán tensiones en el material y ocasionaran algún crecimiento de grano (si el material previamente no fue templado). Generalmente mostrando Ferrita-Perlita. Por encima de los 600 y bajo los 723 se habla de recocido de globulización

puesto que no sobrepasa la temperatura crítica. En este caso no hay grano de perlita, los carburos se esferoidizan y la matriz es totalmente ferrítica. Se usa para aceros de forja o de laminación, para lo cual se usa una temperatura de recocido inferior a AC1, pero muy cercana. Mediante este procedimiento se destruyen las tensiones internas producidas por su moldeo y mecanización. Comúnmente es usado para aceros aleados de gran resistencia, al Cr-Ni, Cr-Mo, etcétera. Este procedimiento es mucho más rápido y sencillo que los antes mencionados, su enfriamiento es lento.

Cementado [editar]

Artículo principal: Cementación

Consiste en el endurecimiento de la superficie externa del acero al bajo carbono, quedando el núcleo blando y dúctil. Como el carbono es el que genera la dureza en los aceros en el método de cementado se tiene la posibilidad de aumentar la cantidad de carbono en los aceros de bajo contenido de carbono antes de ser endurecido. El carbono se agrega al calentar al acero a su temperatura crítica mientras se encuentra en contacto con un material carbonoso. Los tres métodos de cementación más comunes son: empacado para carburación, baño líquido y gas.

Carburización por empaquetado [editar]

Este procedimiento consiste en meter al material de acero con bajo contenido carbónico en una caja cerrada con material carbonáceo y calentarlo hasta 900 a 927 °C durante 4 a 6 horas. En este tiempo el carbono que se encuentra en la caja penetra a la superficie de la pieza a endurecer. Cuanto más tiempo se deje a la pieza en la caja con carbono de mayor profundidad será la capa dura. Una vez caliente la pieza a endurecer a la temperatura adecuada se enfría rápidamente en agua o salmuera. Para evitar deformaciones y disminuir la tensión superficial se recomienda dejar enfriar la pieza en la caja para posteriormente sacarla y volverla a calentar entre 800 y 845 °C (rojo cereza) y proceder al enfriamiento por inmersión. La capa endurecida más utilizada tiene un espesor de 0,38 mm, sin embargo se pueden tener espesores de hasta 0.4 mm.

Carburización en baño líquido [editar]

El acero a cementar se sumerge en un baño de cianuro de sodio líquido. También se puede utilizar cianuro de potasio pero sus vapores son muy peligrosos. Se mantiene la temperatura a 845 °C durante 15 minutos a 1 hora, según la profundidad que se requiera. A esta temperatura el acero absorberá el carbono y el nitrógeno del cianuro. Después se debe enfriar con rapidez al acero en agua o salmuera. Con este procedimiento se logran capas con espesores de 0,75 mm.

Carburización con gas [editar]

En este procedimiento se utilizan gases carburizantes para la cementación. La pieza de acero con bajo contenido carbónico se coloca en un tambor al que se introduce gas para carburizar como derivados de los hidrocarburos o gas natural. El procedimiento consiste en mantener al horno, el gas y la pieza entre 900 y 927 °C. después de un tiempo predeterminado se corta el gas carburizante y se deja enfriar el horno. Luego se saca la pieza y se recalienta a 760 °C y se enfría con rapidez en agua o salmuera. Con este

procedimiento se logran piezas cuya capa dura tiene un espesor hasta de 0,6 mm, pero por lo regular no exceden de 0,7 mm.

Carburado, cianurado y nitrurado [editar]

Existen varios procedimientos de endurecimiento superficial con la utilización del nitrógeno y cianuro a los que por lo regular se les conoce como carbonitrurado o cianurado. En todos estos procesos con ayuda de las sales del cianuro y del amoníaco se logran superficies duras como en los métodos anteriores.

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Tratamientos termoquímicos o de difusión

← Cementación

← Carbonitruración

← Nitruración

← Boruración

Cementación

La cementación se utiliza en aceros con bajo contenido en carbono (0.15-0.20 %C). Durante el tratamiento, tiene lugar la difusión de carbono en la superficie de la matriz con posterior formación de carburos que aumentan la dureza y resistencia al desgaste en superficie después de templar y revenir (100-200ºC). La cementación suele aplicarse en guías de utillajes auxiliares, columnas, útiles para embutición en frío, etc.

Carbonitruración

La carbonitruración se utiliza en aceros con bajo contenido en carbono (0.15-0.20 %C). El proceso consiste en el aporte de carbono y nitrógeno formando carburos y nitruros que endurecen la superficie y aumentan la resistencia al desgaste después de templar y revenir (100-200ºC). Algunas de las aplicaciones del tratamiento son las piezas de tornillería, de decoletaje, de chapa conformada, etc.

Cabe destacar que los tratamientos de cementación y carbonitruración de correderas están siendo desplazados por tratamientos de nitruración y nitrocarburación.

Nitruración

A través del nitrurado se consigue ganar dureza superficial y resistencia al desgaste con una amplia estabilidad de medidas a causa del enriquecimiento superficial de la matriz con nitrógeno y formación de nitruros. Se pueden nitrurar la mayoría de los aceros existentes. Sin embargo, no se aconseja la nitruración de aceros resistentes contra la corrosión pues disminuye precisamente esta propiedad.

La nitruración tiene múltiples aplicación en moldes para inyección de plásticos y moldes de inyección en caliente, matrices de conformación en frío, matrices de extrusión, matrices de forja, etc. Cabe destacar que para poder aplicar el tratamiento, las piezas deberán estar completamente terminadas y bonificadas.

En los procedimientos de nitruración, el nitrurado por baño ha alcanzado una gran divulgación. Por otra parte, la nitruración iónica (difusión de nitrógeno mediante plasma en vacío) es especialmente apropiada para moldes de inyección de aluminio y también para plástico (conserva la superficie de la figura con el mismo pulido brillante inicial).

Boruración

La boruración consiste en la incorporación de boro en superficie formando boruros de elevada dureza. Son susceptibles de boruración todos los tipos de acero excepto los de alto contenido en aluminiso y silicio. Las piezas tratadas deberán templarse y revenirse después del tratamiento.

Cementación.La cementación es un tratamiento termoquímico que se realiza al acero de bajo carbono (menos del 0.25%) que no está templado con el objetivo de enriquecer en carbono (mas del 0.8 %) la capa superficial.Consiste en someter la pieza a un ambiente rico en carbono elemental a altas temperaturas (900-950 oC), para que se produzca su difusión dentro del material de la pieza.

Gracias a la cementación la pieza tendrá dos capas: superficie cementada y núcleo sin cementar. Después de la cementación la pieza se somete a temple y revenido a bajas temperaturas. El núcleo, debido al bajo contenido de carbono, no admite temple, queda tenaz y puede trabajar bajo cargas dinámicas, y la zona periférica adquier temple a una profundidad de cerca de 1 mm haciéndose resistente al desgaste por rozamiento.La cementación puede hacerse por dos vías:

1. Cementación en medio sólido. 2. Cementación gaseosa.

Cementación en medio sólido.

Para la cementación en medio sólido, las piezas límpias y libres de óxidos se colocan en la mezcla de cementación, dentro de cajas de chapas de acero soldadas y selladas. Estas cajas se cargan luego al horno de cementacion, y se mantienen ahí durante varias horas a una temperatura entre 900 y 950 oC  hasta obtener la profundidad de la capa de difusión deseada.Como mezcla de cementación se puede utilizar la de 70-80 % de carbón vegetal fínamente pulverizado, con 20-30 % de alguno de los siguientes carbonatos: carbonato de bario (BaCO3); carbonato de sodio (Na2CO3) ó carbonato de potasio (K2CO3) que actúan como catalizador y que contribuyen al desprendimiento del carbono en estado elemental, necesario para la cementación.Para el sellaje de la tapa de la caja de cementación puede utilizarse una masilla hecha con arena de fundición mezclada con silicato de sodio (vidrio soluble).

Cementación gaseosa.

La cementación gaseosa necesita de un equipo especial mas complicado y se aplica a la producción en masa de piezas cementadas.Esta cementación tiene ventajas considerables con respecto a la cementación en medio sólido; el proceso es dos o tres veces mas rápido, la tecnolgía es menos perjudicial a la salud, y las propiedades del núcleo sin cementar resultan mejores debido al menor crecimiento del grano.El proceso se realiza en hornos especiales, en cuyo interior se inyecta como gas cementante algún hidrocarburo saturado tales como metano, butano, propano y otros. Al calentar a unos 900-970 oC se desprende el carbono elemental que cementa el acero. Por ejemplo al calentar metano

CH4 --> C + 2H2

 

Nitruración

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La nitruración es un tratamiento termoquímico, en el que se modifica la composición del acero incorporando nitrógeno durante el proceso de tratamiento térmico, el calentamiento, en una atmósfera rica en nitrógeno,

Su objetivo principal es el de aumentar la dureza superficial del las piezas, además de aumentar su resistencia a la corrosión y a la fatiga. Una variante de este tratamiento, es el proceso tenifer.

Procedimiento [editar]

Existen dos procedimientos para la nitruración: la nitruración en horno y la nitruración iónica. Para la nitruración en horno se coloca la pieza dentro del horno, dentro del cual se hace circular amoníaco y posteriormente se calienta a temperaturas de aproximadamente 500°C, lo que provoca 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 reacionan 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%.

Aplicaciones de la nitruración [editar]

La nitruración 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, 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.

Aceros para nitruración [editar]

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.

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

Cianuración

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La cianuración es un tratamiento termoquímico que se da a los aceros. Cuando se quiere obtener una superficie dura y resistente al desgaste, esto se logra empleando 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.

Como se realiza el tratamiento termoquímico [editar]

La cianuración se efectúa a una temperatura justamente por encima de la critica 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.

SULFINIZACION.

Consiste en aplicar una pequeña capa superficial de aleaciones de Azufre (S) Nitrógeno (N) y Carbono (C) en aleaciones férreas y de cobre. Después de la aplicación las dimensiones de las piezas aumentan ligeramente, aumentando su resistencia al desgaste, favoreciendo la lubricación y evitando el agarrotamiento.

Carbonitruración

Se entiende por carbonitruración, el tratamiento termoquímico en el que se promueve el enriquecimiento superficial simultáneo con carbono y nitrógeno en piezas de acero, con el objetivo de obtener superficies extremadamente duras y un núcleo tenaz, sumado a otras propiedades mecánicas como resistencia a la fatiga, resistencia al desgaste y resistencia a la torsión.

La carbonitruración en baño de sal es un tratamiento que se encuadra entre la nitruración y la cementación. Por esta razón la temperatura de la carbonitruración se sitúa entre las temperaturas de estos dos procesos.

La oferta de nitrógeno, que se difundirá en el acero, dependerá de la composición del baño y también de su temperatura. Sin embargo, se sabe que la oferta de nitrógeno se reduce a medida que aumenta la temperatura.

En vista de ello, el tratamiento de carbonitruración está subdividido en:

Carbonitruración por encima de A1 (750ºC a 850ºC)

Carbonitruración por debajo de A1 (750ºC a 850ºC)

ProductosTemperatura

de trabajoCaracterísticas

C3B 750-850ºC

Indicado para carbonitruración por encima de A1 

C 2 750-850ºC

C1B 750-850ºC

GS 540 / C3B (30%) 750-860ºC

GS 660 / C3B (30%) 750-850ºC

NS 1 / NS 2B 700-720ºC Indicado para carbonitruración por debajo de A1