1. INTRODUCCION
2. TRATAMIENTOS TÉRMICOS. FUNDAMENTO Y OBJETO
3. PREPARACIÓN DE LAS PIEZAS
3.1 Desengrasado
3.2 Descascarillado
4. TIPOS. PROCEDIMIENTOS OPERATIVOS Y VARIABLES A CONTROLAR.
4.1 Cementación
4.1.1 Factores de la cementación
4.1.2 Prácticas de la cementación
4.1.3 Tratamientos post-cementación
4.1.4 Defectos de la cementación
4.2 Nitruración
4.2.1 Factores de la nitruración.
4.2.2 Ventajas de la nitruración.
4.2.3 Tratamientos post-cementación
4.2.4 Defectos de la cementación
4.3 Carbo-Nitruración
4.4 Sulfunización
5. CONCLUSIÓN
1. INTRODUCCIÓN
Como se sabe, la dureza de un material suele ir unida propiedades indeseables como la fragilidad y carencia de resistir choques dinámicos. La industria mecánica exige el concurso de piezas que tengan superficies muy duras, resistentes al desgaste a la vez que un núcleo tenaz para poder soportar choques y esfuerzos dinámicos.
En este tema vamos a ver los procedimientos y técnicas usados en la ingeniería para poder conseguir la combinación de estas propiedades. Estos serán la cementación, nitruración, cianuración, carbonitruración y sulfunización.
- TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS. FUNDAMENTO Y OBJETO
A diferencia de los tratamientos térmicos usuales, en estos tratamientos se modifica la composición química de la superficie de los materiales introduciendo ciertos elementos químicos gracias a un proceso de difusión atómica. Este fenómeno está fundado en el aumento de movilidad de los átomos en el estado sólido conforme aumenta la temperatura.
Con los tratamientos termoquímicos, se tratará de conseguir alguno o varios de los siguientes fines:
- Aumentar la dureza superficial, sin alterar la ductilidad y resiliencia del núcleo de las piezas.
- Favorecer las cualidades de lubricación y rozamiento.
- Aumentar la resistencia al desgaste.
- Aumentar la resistencia a los esfuerzos de fatiga.
- Mejorar la resistencia a la corrosión, aunque este será un fin secundario.
Según la naturaleza del agente endurecedor así serán los tratamientos termoquímicos, los cuales diferirán unos otros, si bien, todos exigirán una preparación previa al tratamiento.
3. PREPARACIÓN DE LAS PIEZAS
El requisito previo más importante en la tecnología de los recubrimientos protectores es la limpieza de la superficie a la que estos se aplican. La preparación de esta superficie consta generalmente de dos pasos principales cuyos objetivos son la eliminación de sustancias orgánicas (desengrasado) y la de materiales inorgánicos (descascarillado y pulido).
3.1 Desengrasado
Las piezas a tratar siempre están contaminadas con aceites y grasas provenientes de los procesos de conformado o almacenaje previos. Estas capas orgánicas impedirían la difusión atómica por lo que deben ser eliminadas.
Como elemento desengrasante se emplean limpiadores alcalinos como sosa cáustica, carbonato sódico, fosfatos…etc. Las piezas se sumergen en baños o son rociadas usando una pistola con estas soluciones. También se puede llevar a cabo por medios electrolíticos, en cuyo caso la pieza funcionará como cátodo en el proceso.
4.2 Descascarillado
Una vez desengrasadas las piezas estas han de ser descascarilladas. El espesor y la composición de la cascarilla dependen de los antecedentes térmicos experimentados por el metal. El proceso de descascarillado se puede hacer por:
I. Decapado químico; se basa en la inmersión del metal en medios ácidos (acido sulfúrico generalmente) hasta que la cascarilla se haya disuelto o desprendido.
II. Decapado electrolítico, el cual puede ser anódico o catódico, siendo un método más rápido que el anterior.
- TIPOS. PROCEDIMIENTOS OPERATIVOS Y VARIABLES A CONTROLAR
4.1 CEMENTACIÓN
A este tratamiento también se le conoce como carburación pues consiste en aumentar la concentración en C de la superficie del acero tratado. La pieza es calentada hasta la temperatura de austenización en presencia de un medio cementante rico en C. Este ha de ser capaz de cederle C en estado atómico, el cual se difundirá en su interior formando una SS de inserción. Seguidamente las piezas son templadas para conseguir una martensita superficial de alta dureza.
4.1.1 Factores de la cementación
Las principales variables que influyen en el proceso son:
a. Composición del acero. Los aceros pueden ser aleados o no, si bien es muy importante que sean pobres en C (porcentajes menores al 0.2%C) para no encontrar núcleos sobreendurecidos.
b. Estructura del acero. Está demostrado que en los aceros de grano fino la penetración del C se hace más dificultosa y de forma más irregular.
c. Agentes cementantes. El medio ha de poder suministrar carbono en esta atómico o naciente. Se obtiene generalmente a partir de hidrocarburos.
d. Temperatura de cementación. La temperatura se ha de mantener por encima de A3 (Austenización completa). Conforme se eleva la temperatura, el proceso es más rápido pero existe peligro de sobrecalentamiento, no debiendo pasar de los 1000ºC.
e. Tiempo de cementación. A igualdad de los restantes factores, el espesor de la capa cementada crece con la duración del proceso según una ley parabólica.
4.1.2 Prácticas de la cementación
Según el estado cementante empleado las instalaciones en las que se realizan serán:
· Cementación en caja. Las piezas se introducen dentro de cajas de acero inoxidable generalmente, y son rodeadas por el agente cementante en estado sólido denominado Carón. Las juntas son selladas por arcillas refractarias. Aplicando la Tª y el tiempo necesario se alcanza la carburación.
Debido a su lentitud y a que no permite automatizar el proceso, está siendo desplazado por los cementantes en estado líquido y gaseoso.
· Cementación en líquidos. Se utilizan sales fundidas entre las que siempre se encuentra como fundamental el cianuro sódico. Es un proceso automático además de ser más rápido que el anterior. Permite además mayor control de la penetración y la homogeneidad de la capa carburada.
· Cementación con gas. Las piezas se colocan en un horno rodeado por una atmósfera gaseosa compuesta por hidrocarburos. Este método es tan rápido y exacto como el anterior, permitiendo además cementar un gran número de piezas a la vez, de forma automática. El temple posterior también es automático.
4.1.3 Tratamientos térmicos post-cementación
Después de la cementación, la periferia a pesar de contener una mayor proporción de C es todavía relativamente blanda. Por otra parte, el núcleo central, aún siendo de muy bajo contenido en C, puede ser frágil por tener una estructura de grano grosero al haber permanecido durante mucho tiempo a alta temperatura. Como la periferia y el núcleo de las piezas son de distinta composición los tratamientos deberán ser de tal naturaleza que actúen favorablemente sobre las dos partes.
Existen diferentes enfriamientos, si bien, en general el temple se produce de forma lenta inicialmente para regenerar el núcleo seguido de un aumento de velocidad para que la superficie carburada se transforme en martensita de gran dureza. Tras esto se someterá a un revenido.
4.1.4 Defectos más frecuentes
1. Falta de dureza. Los aceros correctamente cementados no son marcados por la lima, esto es, poseen durezas superficiales superiores 60 Rockwell-C. Cualquier disminución de este valor será debida a un temple incorrecto, a falta de agente cementante o a puntos blandos, causados por falta de limpieza de la pieza.
2. Falta de penetración. Por mal control de las variables del proceso: tiempo y Tª.
3. Descascarillado de la superficie. Está causado por un proceso de cementación muy rápido o por una cementación demasiado profunda.
4. Deformaciones. Son inherentes a enfriamientos rápidos. Para aliviarlas se pueden emplear enfriamientos escalonados tipo Martempering.
4.2 NITRURACIÓN
La nitruración es un procedimiento de endurecimiento superficial en el que por absorción de N monoatómico se consiguen durezas extraordinarias en la superficie del acero. Las piezas son colocadas en cajas cerradas, a través de las cuales se hace circular una corriente de amoniaco. A diferencia del procedimiento anterior, aquí las piezas son templadas y revenidas de forma previa al tratamiento.
4.2.1 Factores de la nitruración
Las variables a controlar en el proceso son parecidas al caso anterior:
a. Composición del acero. La masa metálica ha de contener pequeñas cantidades de Al, Cr, Mo o V para que el N reaccione con ellas formando nitruros de gran resistencia. Estos elementos son fundamentales para conseguir elevadas durezas.
b. Temperatura de nitruración. La temperatura optima es 525ºC y no se debe sobrepasar pues a mayor Tª se descomponen los nitruros y se produce su coalescencia disminuyendo la dureza.
c. Agente de nitruración. Como hemos nombrado el agente nitrurador es el NH3 que a temperaturas próximas a los 525º C se disocia, dejando en libertad N atómico que se difundirá fácilmente en el metal.
d. Tiempo de nitruración. El mayor inconveniente del proceso es que es muy lento. Cuanto mayor es el tiempo de exposición mayores profundidades alcanzarán los nitruros. Con los procesos normales de 20 a 80 horas de duración se obtienen capas nitruradas de 0.2 mm a 0.7 mm.
4.2.2 Ventajas del proceso
Entre los principales de la nitruración podemos citar:
1. Gran dureza. Se logran capas superficiales de mayor dureza que en la cementación (hasta 1200HV) y sin necesidad de tratamiento térmico posterior. Además, gracias a los nitruros esta propiedad se conserva a pesar de trabajar la pieza en ambientes a alta temperatura (se aumenta la temperatura de fluencia).
2. Resistencia a la corrosión. Los aceros, tras la nitruración, aumentan su poder de resistencia a la acción corrosiva del agua dulce, salada, atmósferas húmedas y al ataque de otros metales.
3. Ausencia de deformaciones. Esto es debido a que NO es necesario enfriar las piezas rápidamente tras el tratamiento, con las deformaciones y posibles grietas que ello conlleva.
Las superficies nitruradas presentan, además, buenas características de fricción y resistencia a la fatiga. A su vez se elimina la influencia del terminado o defectos superficiales, por lo que hacen de dicho proceso muy indicado para piezas de fricción como camisas de cilindros, ejes, árboles, engranajes, rotores…etc.
Una variación del proceso anterior es el la NITRURACIÓN IÓNICA. En este tipo de nitruración se usa un arco eléctrico para ionizar gas nitrógeno en vacío. Los iones son acelerados hacia la pieza por un potencial eléctrico, produciendo en su choque el calentamiento de la pieza y siendo además la fuente de nitrógeno. El proceso es de un 30 a 50% más rápido que la nitruración convencional.
4.3 CARBONITRURACIÓN
Este tratamiento termoquímico puede considerarse como una mezcla de los dos anteriores, pues su objetivo es incrementar el contenido de C de la superficie de la pieza y la formación de nitruros de alta dureza.
En realidad, cualquier equipo que sirva para la cementación gaseosa es utilizable para la carbonitruración, ya que sólo es necesario adicionar amoniaco a la atmósfera utilizada en la cementación. La composición suele ser 70 % NH3 junto un 30 % de CH4.
Como es lógico pensar, los factores que influirán en el proceso serán la Tª, el tiempo, los agentes endurecedores y los tipos de acero empleado.
La profundidad varía entre 0.1-0.6mm y la dureza oscila entre 60-65 Rockwell-C, es decir, valores muy similares a la cementación ordinaria. ¿Cual es por tanto la ventaja del uso del amoniaco? La respuesta es que el nitrógeno absorbido disminuye la velocidad crítica de enfriamiento del acero, esto es, se aumenta la templabilidad, lo que permite la sustitución de aceros de alta aleación (para evitar la distorsión térmica) por aceros ordinarios. Además la presencia de N en la capa cementada aumenta la resistencia al revenido durante el trabajo a altas temperaturas.
Un proceso muy similar al anterior es el conocido como CIANURACIÓN, la diferencia estriba en que aquí el agente endurecedor se encuentra en estado líquido (cianuro fundido, cloruro y carbonato sódico).
4.4 SULFUNIZACIÓN
Se desarrolló en los años 70 en Francia por la industria del automóvil. Su objetivo es crear una capa superficial rica en S, N y C. Para ello, se introducen las piezas en un baño de sales a temperaturas similares a la nitruración (550ºC). La composición del baño está formada por una mezcla de cianuro, sulfito sódico y carbonato sódico principalmente.
En la sulfunización se produce una transformación superficial del metal con penetración de ciertos cuerpos en la capa del metal que se produce de forma parecida a la fosfatación.
La capa sulfunizada, apenas si aumenta su dureza superficial, si bien aumenta su lubricación y sobretodo su resistencia al desgaste. Las herramientas de corte sulfunizadas prolongan su vida útil hasta seis veces con este tratamiento.
- CONCLUSIÓN
Podemos concluir esta exposición resaltando la variedad de propiedades y características (mayormente mecánicas) alcanzables con los tratamientos térmicos. El hecho de variar la estructura cristalina mediante calentamientos y enfriamientos nos permitirá encontrar las propiedades más adecuadas dentro de unos límites.
Las variables a controlar en cada tratamiento son similares, si no iguales, si bien pequeñas desviaciones en los parámetros nos conducirán a obtener defectos o resultados no deseados.