Tratamientos Térmicos Superficiales J.R.

 

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TRATAMIENTOS TÉRMICOS SUPERFICIALES Introducción A través de los tratamientos térmicos podemos modificar las propiedades de los metales, mediante alteraciones de su estructura, pudiendo así desempeñar con garantías los trabajos demandados. Las aleaciones de tipo ferroso son las que mejor se prestan a ello. El tratamiento térmico consiste en calentar el acero a una temperatura determinada, mantenerlo a esa temperatura durante un cierto tiempo hasta que se forme la estructura deseada y luego enfriarlo a la velocidad conveniente. Los factores temperatura-tiempo deben ser muy bien estudiados dependiendo del material, tamaño y forma de la pieza. Con el tratamiento conseguiremos modificar microscópicamente la estructura interna de los metales, produciéndose transformaciones de tipo físico, cambios de composición y propiedades permitiéndonos conseguir los siguientes objetivos:  

Estructura de mejor dureza y maquinabilida maquinabilidad. d.

 

Eliminar tensiones internas y evitar deformaciones después del mecanizado.

 

Estructura más homogénea.

 

Máxima dureza y resistencia posible.

 

Variar algunas de las propiedades físicas.

Cuando se trabaja con un material, es deseable que sea muy tenaz para aguantar impactos, pero que su superficie sea muy dura para evitar el desgaste. Esto se consigue obteniendo las propiedades deseadas para toda la pieza mediante tratamientos térmicos adecuados y después variar las propiedades de la superficie sometiéndola a otro tratamiento diferente, que puede ser térmico, termoquímico o mecánico.

Propiedades de los tratamientos térmicos Superficiales. 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.

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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 calentamient o 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.

CARBURIZACIÓN (CEMENTACIÓN)

Es 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 de absorber 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 al 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 950º C) de modo que el carbono difunde en la red cristalina del hierro; cuando se alcanza el límite de saturación de la austenita, en la superficie se puede formar una capa de cascarilla. Pero esto se observa raramente; en las condiciones normales, durante la cementación sobre Ac3 se forma sólo austenita, y, luego del enfriamiento lento, los productos de su transformación transformac ión (ferrita y cementita). La capa cementada tiene una concentración variable de carbono en su espesor (Fig. XII.1), decreciente hacia el interior de la pieza; el objetivo es obtener la composición eutectoide en la superficie.

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Características de la cementación  

Endurece la superficie

 

No afecta al corazón de la pieza

 

Aumenta el carbono de la superficie

 

Se coloca la superficie en contacto con polvos de cementar ( Productos cementantes)

 

El enfriamiento es lento y se hace necesario un tratamiento térmic térmico o posterior

 

Los engranajes suelen ser piezas que se cementan

La cementación encuentra aplicación en todas aquellas piezas que tengan que poseer gran resistencia al choque y tenacidad junto con una gran resistencia al desgaste, como es el caso de los piñones, levas, ejes, etc. Podemos diferenciar tres tipos de materiales cementantes:  

Sólidos.

 

Líquidos.

 

Gaseosos.

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Sólidos  Para la cementación en medio sólido, las piezas limpias 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 cementación, y se mantienen ahí durante varias horas a una temperatura entre 900 ºC y 950 ºC aproximadamente, hasta obtener la profundidad de la capa de difusión deseada. Como mezcla de cementación se puede utilizar la de 70 % a 80 % de carbón vegetal finalmente pulverizado, con un 20 % a 30 % de alguno de los siguientes carbonatos: carbonato de bario (BaCO3), carbonato de sodio (Na2CO3) o 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). Los equipos utilizados para la cementación sólida son cajas donde se cementa con mezcla cementante que rodea a la pieza en un recipiente cerrado, el cual se calienta a la temperatura adecuada durante el tiempo requerido y luego se enfría con lentitud. Este equipo no se presta para alta producción, siendo sus principales ventajas su economía, eficiencia y la no necesidad de una atmósfera preparada. En realidad, el agente cementante son los gases, que ésta pasta rodea al material que desprende cuando se calienta en el horno.

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Líquidos. Para la cementación en medio líquido, las piezas se introducen en un baño de sales fundidas a 950 °C aproximadamente, constituidas constituidas por una sal base generalmente cloruro o carbonato de sodio, con adición de una sal aportadora de carbono, cianuro de sodio o de potasio y de una sal activante, cloruro de bario, mezclados en porcentajes adecuados, según los resultados que se deseen obtener. La presencia de nitrógeno en los cianuros provoca también la formación de productos de reacción (nitruros) de elevada dureza pero limitados a una finísima capa exterior.  Diferenciamos el baño o la cuba 1 y 5, la pieza 2, el cementante 3 y bases de sales 4.

Gaseosos  La cementación gaseosa necesita de un equipo especial más 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 y líquido, el proceso es dos o tres veces más rápido, la tecnología 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 ºC y 1000 ºC aproximadamente, aproximadam ente, se desprende el carbono elemental que cementa el acero. Por ejemplo al calentar metano. CH4 --> C + 2H2

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Los equipos utilizados para la cementación gaseosa son más eficientes y complejos que los anteriores, los ciclos son más controlados, el calentamiento más uniforme, es más limpio y requiere de menos espacio. La pieza se calienta en contacto con CO y/o un hidrocarburo, por ejemplo alguna mezcla de gases que contenga butano, propano o metano, que fácilmente se descompone a la temperatura de cementación. El gas tiene una composición típica de: CO 20 %, H2 40 4 0 % y N2 40 %, pudiendo modificarse la composición de éste para controlar el potencial de carbono.

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Aceros de cementación. Son apropiados para cementación los aceros de baja contenido de carbono, que conserven la tenacidad en el núcleo. 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 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. Algunos ejemplos de aceros aptos para la cementación son:

Aceros para cementación al carbono. La cementación se realiza entre 900 ºC y 950 ºC, el primer temple se realiza entre 875 ºC y 925 ºC en agua o aceite, el segundo temple se realiza entre 925 ºC y 775 ºC en agua, y el revenido a una temperatura máxima de 200 ºC. Se utiliza para piezas poco cargadas y de espesor reducido, de poca responsabilidad y escasa tenacidad en el núcleo.

Aceros para cementación al cromo-níquel (Cr-Ni) de 125kgf/mm2. Tiene una composición de cromo de 1 % y de níquel un 4,15 %. La cementación se realiza entre 850 ºC y 900 ºC, el primer temple entre 825 ºC y 900 ºC en aceite, el segundo temple se realiza entre 725 ºC y 800 ºC, y el revenido a una temperatura máxima de 200 ºC. Se utiliza para piezas de gran resistencia en el núcleo y buena tenacidad. Elementos de máquinas y motores, engranajes, levas, etc.

Aceros para cementación al cromo-molibdeno (Cr-Mo) de 95 kgf/mm2. Tiene una composición de cromo de 1,15 % y de molibdeno un 0,20 %. La cementación se realiza entre 875 ºC y 950 ºC, el primer temple se realiza entre 875 ºC y 900 ºC en aceite, el segundo temple se realiza entre 775 ºC y 825 ºC en aceite, y el revenido a una temperatura máxima de 200 ºC. Se utiliza para piezas de automóviles y maquinaria de gran dureza superficial y núcleo resistente. Piezas que sufran gran desgaste y transmitan esfuerzos elevados, engranajes, levas, etc.

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Aceros para cementación al cromo-níquel-molibdeno cromo -níquel-molibdeno (Cr-Ni-Mo) de 135 kgf/mm2. Tiene una composición de cromo de 0,65 %, de níquel un 4 %, y de molibdeno un 0,25 %. La cementación se realiza entre 850 ºC y 950 ºC, el primer temple se realiza entre 825 ºC y 875 ºC en aire o aceite, el segundo temple se realiza entre 725 ºC y 775 ºC en aceite, y el revenido a una temperatura máxima de 200 ºC. Se utiliza para piezas de grandes dimensiones de alta resistencia y dureza superficial. Máquinas y motores de máxima responsabilidad., responsabilida d., ruedas dentadas, etc. 

Clases de compuestos cementantes Los compuestos carburizantes comerciales comerciales normales tienen una mezcla de alrededor de 10 a 20% de carbonatos alcalinos u otros metales, con carbón de leña o coque exento de azufre, o ambos a la vez. El carbonato de bario es el principal activador y usualmente comprende el 60 a 70 % del contenido total de carbonatos carbonatos.. El polvo cementante más enérgico contiene el 40% de CO3Ba solamente (exento de otros carbonatos) y se emplea para cementar aceros no aleados cuando se requieren grandes profundidades cementadas.  Por ser más reactivo que el coque, se prefiere usar el carbón de leña como fuente principal de carbono, pero el coque ofrece algunas ventajas, como la buena resistencia en caliente y buena conductividad térmica, de todas maneras, la mayoría de los componentes carburizantes tienen carbón de leña y coque, con mayor proporción del primero.

Ejecución y aplicaciones de la cementación en caja   Las piezas se empaquetan en una caja con una cantidad suficiente del polvo de cementar y colocadas de tal manera que toda su superficie se encuentre rodeada del polvo. Después se cierra la caja con una tapa y se hace la junta hermética con barro. Las cajas, y con ellas las piezas que llevan dentro, se calientan hasta la temperatura de cementación y se mantienen las horas necesarias para lograr la profundidad de cementación deseada. Una vez conseguida esta profundidad, lo que se comprueba rompiendo una probeta de ensayo, se enfrían las cajas al aire. Si las piezas deben mecanizarse después del enfriamiento, se recomienda realizar un recocido intermedio a 650º C, para conseguir que la dureza se mantenga igual o menor de HRc32.

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La cementación en caja sólo se aplica a piezas con una capa cementada gruesa, que no deban templarse inmediatamente después de la carburación. Pueden alcanzarse profundidades de cementación de hasta 3 mm. La larga permanencia entre 900 y 1000º C asegura la eliminación de cualquier tensión existente procedente de la manufactura, pero pueden producirse deformaciones grandes. Otra desventaja es el embastecimiento del grano, como consecuencia de estas largas duraciones de la cementación. También se la emplea cuando las piezas son tan grandes que difícilmente podrían tratarse en baño de sales y, por último, cuando no se dispone de baños de sales ni de instalaciones para cementar en gases.

Ventajas de la cementación en cajas   

Puede usarse en una gran variedad de hornos, porque no requiere el uso de

atmósferas controladas.    Es eficiente y económico para el proceso individual de pequeños lotes de piezas   

Incorpora un método simple para el enfriamiento lento de piezas que deben ser maquinadas después de la cementación y antes del temple. 

 

Ofrece una amplia selección de técnicas para cementación selectiva de las piezas.

Desventajas de la cementación en caja   

No es adecuado para la producción de capas finas que requieran controles estrictos.

 

No se puede controlar con exactitud el % de C de la superficie y del gradiente de carbono, como sí en la cementación gaseosa.

 

No es adecuado para efectuar el temple directo o para p ara enfriar en matriz. El peso de la caja y del material cementante reduce la velocidad de calentamiento y de enfriamiento y por ello se necesita mayor tiempo de cementació cementación. n.

Potencial de carbono y gradiente de carbono Se denomina potencial de C de la atmósfera generada por el compuesto carburizante, al contenido de C obtenido en la superficie del acero; se incrementa con el aumento de la relación de CO a CO2. El mayor % de C se desarrolla en la superficie del acero con el uso de energizantes o activadores que promueven la formación de CO.

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El gradiente de concentración de C en las piezas cementadas está influenciado principalmente por el potencial de C, la temperatura de cementación, el tiempo y la composición química del acero.

Temperaturas de cementación  La cementación en caja se realiza normalmente entre 815º C y 950º C, pudiendo incrementarse cuando se tratan aceros de grano fino que se mantengan sin crecimiento a temperaturas cercanas a 1040º C.

Velocidad de cementación  La velocidad a la cual se logra la profundidad de capa, se incrementa rápidamente con la temperatura. Si se considera un factor de 1,0 para 815º C, el factor se incrementa a 1,5 a 870º C, y es algo más de 2,0 a 930º C. De D e todas maneras la velocidad de cementación es más rápida al comienzo del ciclo y gradualmente disminuye a medida que éste se extiende. En la Fig. XII.2 se muestra la profundidad de capa en función del tiempo de cementación y en la Fig. XII.3, el gradiente de C para diferentes tiempos a una temperatura de 930º C en acero aleado SAE 3115.

Hornos para cementación en caja  La efectividad de un horno para la cementación en caja depende de su capacidad térmica y uniformidad de temperatura (los hornos deben ser controlables dentro de ± 6º C y capaces de mantener una temperatura uniforme dentro de ± 8 a ± 12º C).

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Además deben contar con una adecuada resistencia de la solera para soportar las cajas y las piezas a la temperatura de cementación, y satisfacer ambos requerimientos a un costo razonable. Los dos tipos de hornos más comúnmente usados son los de semimufla y tipo PIT o sumergido. En los primeros las cajas se cargan con dispositivos mecánicos, algunos poseen una solera de carburo de silicio para mejor desplazamiento y resistencia al desgaste de las cajas. Además su alta conductividad térmica proporciona una uniformidad de temperatura. temperatura. Los hornos sumergidos son de uso general, para cementación y otras operaciones de tratamiento térmico, porque requieren un mínimo de espacio.

Cajas de cementación  Las cajas de cementación pueden ser de acero al C o aceros aleados resistentes al calor como el SAE 30330. En los primeros se forma calamina en su exterior durante el calentamiento en el horno y tienen menor vida útil, pero pueden ser más económicos cuando se deben procesar piezas de dimensiones inusuales y en baja cantidad. Las cajas de acero resistentes al calor son más económicas para series grandes de piezas y tamaño moderado. No deberían ser más grandes que lo necesario, en lo posible angostas en alguna dimensión, para permitir al calor ingresar más rápidamente y alcanzar la temperatura de proceso simultáneamente.

Cementación selectiva  Además de las técnicas de protección empleadas en la cementación gaseosa, como puede ser el cobreado electrolítico, las pinturas de base cobre o dispositivos mecánicos, en la cementación en caja se puede permitir que alguna porción de la pieza no sea carburizada, envolviendo esa zona con material inerte u oxidante, o bien colocándola fuera de la caja de cementación si la geometría de la pieza así lo permitiera.

Cementación en baños de sales Consiste en mantener las piezas por encima de AC3 en un baño de cianuro fundido, de manera que el carbono difunda dentro del acero y produzca una capa cementada comparable con la obtenida en la cementación gaseosa, cuando contiene algo de amoníaco. 

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La cementación líquida debe distinguirse del cianurado, que se realiza en un baño de alto contenido de cianuro, por el carácter y composición de la capa producida. En el cianurado la capa es alta en nitrógeno y baja en carbono, y en la cementación es la inversa, el % de C es mayor al de nitrógeno. Excepcionalmente se utiliza para obtener capas cementadas de profundidades grandes; la máxima aplicación práctica es del orden de 4,5mm. 

Tipos de baños de Cementación. Se distinguen principalmente por la temperatura a la que operan, más que por ser de alta y baja cementación. Los baños de sales de baja temperatura (profundidad de capa pequeña), son aquellos operados entre 815 y 900° C, adecuados para la formación de capas cementadas de 0,08 a 0,8 mm de profundidad. Son baños con acelerantes, conteniendo compuestos en distintas cantidades como se muestra en la Tabla XII.1.

Se operan con una cubierta protectora de grafito y difieren de los baños de cianurado por la predominancia del carbono en la capa. No obstante, cuando la capa de grafito es muy fina y funciona a la temperatura más baja, se incrementa el contenido de nitrógeno en la capa. Los baños de alta temperatura usualmente se operan en el rango de 900-950°C. Si bien puede llegar a ampliarse, a bajas temperaturas la velocidad de penetración del carbono se hace indeseablemente lenta y a temperaturas superiores a 950° C el deterioro del baño y del equipo es marcadamente acelerado. Los baños de alta temperatura se usan para profundidades de capa de 0,5 a 3,0 mm, pero generalmente se operan para profundidades de 1,0 a 2,0 mm. Están constituidos por cianuros y una mayor proporción de cloruro de bario, como se muestra en la Tabla XII.1.

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Ambos baños, los de baja y alta temperatura, se proveen en una variedad de contenidos de cianuros para alcanzar la actividad de cementación (es decir, potencial de carbono) requerido, dentro de las lógicas limitaciones de mantenimiento por el drenaje de sales precipitadas y adiciones de nueva sal para regenerar la actividad, lo que hace variar el % de sal cementante de un período de uso a otro. Tratamiento combinado: a veces se inicia el ciclo de cementación con un baño de alta temperatura, luego se transfieren las piezas a un baño de baja temperatura y luego se templa. Este proceso no sólo provee la máxima velocidad de cementación, sino que templando desde baja temperatura se reduce la distorsión.

Gradiente de carbono.  La Fig. XII.4 muestra los gradientes de carbono producidos por la cementación líquida en aceros SAE 1020 a 840º C, 870° C y 950º C para varios períodos de tiempo a la temperatura de cementación. En la parte inferior se puede observar el gradiente obtenido en un SAE 8620 cementado a 915º C durante 8 hs.

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Entrada del carbono (Profundidad de Capa). En la cementación líquida, la profundidad de capa está determinada fundamentalm fundamentalmente ente por la temperatura y el tiempo de cementación. Los efectos de la composición del acero no tienen mucha importancia. La fórmula para estimar la profundidad de capa total es:

   =

profundidad de capa

 

t = tiempo de calentamiento, calentamiento, en horas

 

K = constante que representa la penetración en la primera hora.

Los valores de Pc a tres temperaturas diferentes son:  

0,305 mm. a 815° C

 

0,457 mm. a 870° C

 

0,635 mm. a 930° C

Gradiente de dureza.  El gradiente de carbono produce una variación de la dureza por debajo de la superficie. En la Fig.XII.5 se indican los gradientes de dureza obtenidos en aceros al C y de baja aleación. Los datos en aceros SAE 1020 y 8620 están graficados en ciclos de 2, 4, 8, 15, 20 y 40 hs. Las probetas fueron enfriadas al aire desde las temperaturas indicadas (870, 900 y 930° C), recalentadas en sales neutras a 845° C y templadas en sales fundidas a 180° C.

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Hornos utilizados. Pueden calentarse exteriormente por quemadores de gas o fuel-Oil, o por resistencia eléctrica. 

Hornos a gas o fuel-Oil. La Fig. XII.6 muestra el esquema de un horno usado para cementación líquida. Estos tipos de hornos son generalmente más económicos que los calentados por resistencia o electrodos, son simples para instalar y operar. El calor se aplica por 2 ó 3 quemadores que dirigen la llama tangencialmente hacia la pared exterior del crisol. Los gases de combustión son ventilados a través de una chimenea localizada cerca de la parte superior para los quemadores atmosféricos, atmosféricos, y cerca del fondo para los quemadores de alta presión. La cámara de combustión está construida por ladrillos refractarios con una aislación adicional. Una chapa de acero rodea completamente los lados del horno, mejorando la resistencia mecánica.

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Hornos a resistencia eléctrica: la Fig. XII.7 muestra un esquema de estos hornos, que son menos usados que los anteriores. Se calientan por una serie de resistencias que rodean el crisol con las sales. Una falla o fractura del crisol puede producir la destrucción total de los elementos de calentamiento, por tal motivo generalmente se utilizan a temperaturas debajo de 900° C.

NITRURACIÓN. 

La nitruración es un tratamiento térmico empleado para el endurecimiento superficial de ciertas piezas, principalmente aceros. Es especialmente recomendable para aceros aleados con cromo, vanadio, aluminio, wolframio y molibdeno, ya que forman nitruros estables a la temperatura de tratamiento. Son estos nitruros los que proporcionan proporcionan la dureza buscada. Durante la nitruración, la pieza sometida ve aumentada su dureza superficial mediante el aporte de nitrógeno a la misma en una atmósfera nitrurante, principalmente compuesta de

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  vapores de amoníaco descompuesto en nitrógeno e hidrógeno. En esta descomposición, el nitrógeno, más denso que el hidrógeno, se desplaza hacia la zona inferior de la cámara, entrando en contacto con la pieza y formando nitruros de hierro (compuesto duro y frágil) en su superficie. La realización de este tratamiento es sumamente lenta, del orden de un milímetro de espesor por cada 100 horas de duración, aunque después de esto la pieza no precisará de temple. Estas aplicaciones requieren que sus elementos tengan un núcleo con cierta plasticidad y resistencia cuyo objetivo principal sea el de aumentar la dureza superficial y la absorción durante los continuos golpes y vibraciones de alta continuidad por las que pasa una pieza de este tipo, creando en ellas una superficie de gran dureza para que resistan a la fricción y al desgaste a la que son sometidas, aumentando su resistencia a la corrosión. El campo de aplicación más importante de este tratamiento está situado en la industria automovilística y aeronáutica para endurecer ejes, piñones, árboles de levas, camisas de cilindros, etc. En matricería se emplea en piezas que tengan roce entre sí, o bien en punzones y matrices de embuticiones profundas para evitar el riesgo de adherencias del material embutido. Existen diversas técnicas de aplicación tales como: nitruración gaseosa, nitruración en sales, nitruración iónica, nitrocarbura nitrocarburación, ción, sulfocarbon sulfocarbonitruración, itruración, oxicarbonitruración. Un buen acero para nitrurar es el que contiene:  

0.30-0.38 % de carbono

 

1.35-1.65 % de cromo

 

0.4-0.6 % de molibdeno

 

0.75-1.1 % de aluminio

Características generales de la nitruración.  

Endurece la superficie de la pieza

 

Aumenta el volumen de la pieza

 

Se emplean vapores de amoniaco

 

Es un tratamiento muy lento

 

Las piezas no requieren ningún otro tratamiento

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Es una capa rica en nitruros que mejora la resistencia al desgaste y a la abrasión; Una capa subyacente, llamada zona de difusión. Su comportamiento comportamiento proporciona una alta resistencia a la fatiga.  Las fases sólidas presentes en toda capa nitrurada son la fase α, fase ε, y fase gamma γ´. Lo deseable es obtener una capa monofásica de fase ε, o bien γ´, en lugar d e capas bifásicas o

dúplex. Las capas de combinación de una sola fase evitan casi por completo la fragilidad superficial de la pieza de acero, debido a la elevada cohesión capa-sustrato.

PROCEDIMIENTO. Nitruración gaseosa. La nitruración gaseosa se realiza en hornos de atmósfera controlada en los que la pieza se lleva a temperaturas entre 500º y 570 ºC en presencia de amoníaco disociado. Este proceso se basa en la afinidad que tiene los elementos de aleación del acero por el nitrógeno procedente de la disociación disociación del amoníaco.

Nitruración en baño de sales. La nitruración en baño de sales se realiza a la misma temperatura que la nitruración gaseosa, entre 500ºC y 570ºC. Para ello se introduce la pieza en un baño de sales fundidas compuesto por cianuros (CN-) y cianatos (CON-) en estado fundido. Durante este tratamiento, el material absorbe C y N del baño. Dadas las bajas temperaturas a las que se opera, la carburación es muy pequeña, dando paso a la nitruración. Así, se forma una capa cuya composición química es de un 25% de carburos y de un 75% de nitruros de hierro.

Nitruración sólida. En la nitruración sólida las piezas se colocan cubiertas por una pasta se sustancia nitrurante que se eleva a una temperatura entre 520 ºC y 570ºC durante 12 horas.

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Nitruración iónica o por plasma. Es un tipo de nitruración gaseosa dirigida a aumentar la velocidad de difusión del N y reducir el tiempo de tratamiento. Se realiza dentro de un reactor donde se ha hecho vacío antes de introducir los gases de nitruración. Estableciéndose un circuito eléctrico en el que la pieza a nitrurar es el ánodo, por efecto del calor el Nitrógeno molecular se descompone e ioniza.

Las partes de la pieza que no se deseen nitrurar se deben cubrir con un baño de estañoplomo al 50%.

Aplicación de la nitruración.  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 las 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. 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 ingresa demasiado rápido en la estructura y la capa nitrurada tiende a desprenderse. 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:

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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 característic as 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. Todas estas formas de nitruración permiten la obtención de una capa superficial de elevada dureza con una estructura rica en nitruros y carbonitruros, muy bien definida que está formada por una capa periférica (capa blanca), denominada capa de compuesto o capa de combinación, y una segunda capa subyacente a la primera, llamada zona de difusión. La nitruración se realiza en hornos especiales, exponiendo las piezas a una corriente de amoníaco a una temperatura de 500-525 ºC, durante un tiempo que puede durar hasta 90 horas; la penetración del nitrógeno es de 0,01 mm. por hora aproximadamente. Este proceso tiene la ventaja de que se realiza a bajas temperaturas y por lo tanto las piezas no se deforman, así pues se pueden dejar terminadas con las medidas de acabado antes del tratamiento. Una vez se haya aplicado el tratamiento completo, completo, el enfriamiento se hará siempre bajo una atmósfera controlada para evitar la contaminación superficial superficial u oxidación de la pieza. Aquellas partes de la pieza que no se deban nitrurar se les da un baño de estaño y plomo al 50%, que cubre la superficie de la pieza aislándola del nitrógeno. La nitruración es, en general, uno de los tratamientos de endurecimiento superficial más baratos y que menos equipamiento requiere para su producción.

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CIANURACIÓN.

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. Cuando se quiere obtener una superficie dura y resistente al desgaste, se realiza a una temperatura por encima de la crítica del corazón de la pieza entre 750 ºC y 950 ºC aproximadamente, 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 hará 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. Posteriormente hay que templar las piezas. Se cementa colocando las piezas en baños de mezclas de sales fundidas (cianuro, HCN), de modo que el carbono difunde desde el baño hacia el interior del metal. Produce una capa más profunda, más rica en carbono y menos nitrógeno. Los baños de cianuro se usan generalmente en los procesos de temple de acero para impedirla descarburación descarburación de la superficie.

Sus principales ventajas son:  

La buena eliminación de oxidación   La profundidad de la superficie es duradera   El contenido de carbono se reparte homogéneamente

También posee ciertas desventajas como son:  

El lavado de las piezas posterior al tratamiento para prevenir la herrumbre,   La revisión de la composición del baño ha de ser de forma periódica y la alta peligrosidad de las sales de cianuro, dado que éstas son venenosas.

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Las propiedades particulares que adquiere el acero cuya capa superficial está saturada a la vez de nitrógeno y de carbono, han determinado la introducción de este proceso en la industria. La cianuración puede realizarse en medios sólidos, líquidos y gaseosos, esta última se denomina nitro-cementación. nitro-cementación.

Como se realiza el tratamiento termoquímico.   La cianuración se efectúa a una temperatura justamente por encima de la 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

Tipos.  Cianuración sólida. Se efectúa de una modo análogo a la cementación sólida, con la diferencia que el carburante contiene cianuros. Este proceso, por su rendimiento, es menos eficaz que los de cianuración líquida y gaseosa, por lo que su implementación a gran escala no se recomienda.

Cianuración líquida. Esta es la forma más difundida de cianuración del acero y se efectúa en cianuros fundidos. El mecanismo químico de formación de átomos activos de nitrógeno y de carbono comprende las reacciones siguientes: Descomposición de los cianuros, con la formación de átomos libres de carbono y de nitrógeno, y su difusión en el metal.

Cianuración gaseosa. Se realiza en una mezcla de gases carburantes y nitrurantes (por ejemplo, una mezcla de gas del alumbrado y amoníaco). Los resultados de la cianuración se determinan por la profundidad de la capa superficial y por la concentración de carbono y de nitrógeno que hay en ella. En la composición y propiedades de la capa cianurada ejerce especial influencia la temperatura de cianurización. Su elevación hace que aumente el contenido de carbono en dicha capa y su descenso, que aumenta al nitrógeno.

Modo de empleo. Los baños de cianurar contienen cianuro, carbonato y cianato sódico con o sin cloruro sódico como diluyente. El contenido de cianuro en el baño suele variar de 20 a 50%. El cianato sódico no se añade intencionadamente al baño, sino que se forma por oxidación del cianuro durante el trabajo. 

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Operando a temperaturas de 760° a 950° y empleando baños cubiertos con escamas de grafito, el porcentaje cianato sódico no suele exceder de 3%. El carbonato sódico es el último producto que se forma en los baños por descomposición u oxidación del cianuro por la acción oxidante del aire. La carburación del acero se realiza por la acción del CO que se desprende en el baño y la nitruración por efecto del nitrógeno. El cianuro se oxida al reaccionar con el oxígeno del aire, dando cianato  

2 NACN + O2 = 2 NaCNO

El cianato sódico a la temperatura de trabajo se descompone por la acción del calor en cianuro sódico, carbonato sódico, óxido de carbono y nitrógeno naciente.  

4 NaCNO + calor = 2 NaCN + Na2CO3 + CO + 2 N

El cianuro formado vuelve nuevamente a comenzar el ciclo, siendo siempre el carbonato el producto final de la transformación. El óxido de carbono que se libera durante la descomposición del cianato, se descompone carbono naciente y dióxido de carbono que en contacto con el acero caliente se disuelve en el hierro gamma y se difundió en el interior. La formación del carbono se produce en la siguiente forma:  

2 CO = C + CO2

Siguiendo C el carbono que pasa al acero. También pasa, algo del nitrógeno al acero, formando nitruros. El CO producido en las diversas reacciones anteriores, se descompone, siendo en definitiva el carbono naciente que se produce en esa descomposición y el nitrógeno naciente producido también en esas reacciones los que pasan al acero. El carbono forma carburos de hierro o aleados y el nitrógeno forma nitruros. Para que se realice la cianuración es fundamental la formación de una cierta cantidad de cianato. Experimentalmente se ha comprobado que un baño de alto porcentaje en cianuro sin cianato, no cianura el acero. Esto es difícil que ocurra ya que en la práctica industrial todos los baños de cianuro contienen siempre algo de cianato, ya que su formación es casi automática al elevarse la temperatura los baños. Los nitruros que se forman, interfieren y dificultan la penetración del carbono y por su influencia perniciosa no se pueden utilizar los baños de cianuro sin catalizadores para producir económicamente económicamente capas duras de más de 0,30 mm de profundidad. En la zona muy periférica, a menos de 0,1 mm del exterior, al elevarse la temperatura de cianuración desde 700° hasta 925°C, los porcentajes de carbono y dinitrógeno disminuyen desde 1 y 2% hasta 0,4 a 0,7%, respectivamente, y hacia el interior, a 0,2 mm de la periferia los contenidos de carbono y nitrógeno aumenta.

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En resumen: La composición de la capa cianurada varía mucho de unos casos a otros. En general, el nitrógeno se encuentra concentrado en la zona exterior y los contenidos en nitrógeno son más altos que los contenidos en carbono en las zonas periféricas, y en cambio, en las zonas interiores ocurre el revés, ya que el porcentaje de nitrógeno es inferior al porcentaje de carbono. Se observa que al aumentar la temperatura de tratamiento disminuye en la capa más exterior el porcentaje de carbono y dinitrógeno, y en cambio en la zona interior, al aumentar la temperatura, aumenta el contenido de esos elementos. La influencia de la duración del proceso se acusa más en la composición de la zona z ona interior que en la de la exterior. En la zona interior se ve que al aumentar la duración de la cianuración de 10 a 50min, por ejemplo, aumentan mucho los porcentajes de carbono y nitrógeno, y en cambio en la zona exterior el aumento del porcentaje de esos elementos, en especial el del nitrógeno, es muy poco sensible.

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