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TRATAMIENTOS
TERMOQUÍMICOS
INTRODUCCIÓN
El tema a tratar, hoy día nos los encontramos muy presente en el entorno que nos rodea, como por ejemplo; en todo tipo de artículos, ya sean en decoración, herramientas, repuestos de coches, máquinas, rodamientos, cuchillos, etc.
Con lo que podemos decir que los tratamientos termoquímicos forman parte de los tratamientos térmicos , ya que la pieza sufre un calentamiento y posteriormente un enfriamiento adecuado, con la diferencia que la pieza se ha recubierto de una sustancia química que modifica su estructura superficial. Las sustancias químicas utilizadas normalmente son: carbono, nitrógeno y sulfato, pudiendo estar en estado gaseoso, líquido o solido.
Así que podemos distinguir cinco tratamientos termoquímicos:
CEMENTACIÓN
NITRURACIÓN
TRATAMIENTOS
TERMOQUÍMICOS CIANURACIÓN
CARBONITRURACIÓN
SULFINIZACIÓN
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.
Resumiremos la definición de los tipos tratamientos termoquímicos:
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 ºC y 525 °C aproximadamente, 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 entre 750 ºC y 950 °C aproximadamente.
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 (NH 3 ) y monóxido de carbono (CO). En el proceso se requieren temperaturas de 650 a 850 °C aproximadamente, 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 incorpora al metal por calentamiento, a la temperatura de 565 °C aproximadamente, en un baño de sales.
CEMENTACIÓN
La cementación es un tratamiento termoquímico que consiste en carburar una capa superficial
de una pieza de acero, rodeándola de un producto carburante y calentándola a una temperatura
adecuada mediante difusión, modificando su composición, impregnando la superficie y sometiéndola a
continuación a un tratamiento térmico, un temple y un revenido, quedando la pieza con buena tenacidad
en el núcleo y con mucha dureza superficial.
El objetivo de la cementación es que en el templado del acero proporciona dureza a la pieza, pero también fragilidad. Por el contrario, si no se templa el material no tendrá la dureza suficiente y se desgastará. Para conservar las mejores cualidades de los dos casos se utiliza la cementación, que endurece la superficie de la pieza sin modificación del núcleo, dando lugar así a una pieza formada por dos materiales, la del núcleo de acero con bajo índice de carbono, tenaz y resistente a la fatiga, y la parte de la superficie, de acero con mayor concentración de carbono, más dura, resistente al desgaste y a las deformaciones, siendo todo ello una única pieza compacta.
Consiste en recubrir las partes a cementar de una materia rica en carbono, llamada cementante, y someterla durante varias horas a altas temperatura de 900 °C. En estas condiciones es cuando tiene mayor capacidad de disolución el carbono, que irá penetrando en la superficie que recubre a razón de 0,1 a 0, milímetros por hora de tratamiento. Una vez absorbido por la capa periférica del acero, comienza el proceso de difusión del carbono hacia el interior de la pieza (el espesor de la capa cementada depende de la temperatura y del tiempo que dure la operación). La pieza así obtenida se le da el tratamiento térmico
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, se desprende el carbono elemental que cementa el acero. Por ejemplo al calentar metano.
CH 4 --> C + 2H 2
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 %, H 2 40 % y N 2 40 %, pudiendo modificarse la composición de éste para controlar el potencial de carbono.
horno al vacio para cementación de baja presión
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 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 ser 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/mm^2. 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/mm^2. 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.
Aceros para cementación al cromo-níquel-molibdeno (Cr-Ni-Mo) de 135 kgf/mm^2. 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., ruedas dentadas, etc.
Podemos diferenciar cuatro tipos de nitruración:
- Nitruración gaseosa.
- Nitruración líquida.
- Nitruración sólida.
- Nitruración iónica.
Nitruración gaseosa. La nitruración gaseosa se realiza en hornos de atmósfera controlada en los que la pieza se lleva a temperaturas entre 500 ºC y 575 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 del amoníaco.
Nitruración en baño de sales. La nitruración en baño de sales se realiza a la misma temperatura que la nitruración gaseosa, entre 500 ºC y 575 ºC. 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 570 ºC durante 12 horas.
Nitruración iónica o por plasma. Es un tipo de nitruración gaseosa dirigida a aumentar la velocidad de difusión del nitrógeno 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. Con ello se produce la difusión del nitrógeno por la superficie y la consiguiente formación de nitruros. Otros gases presentes y que actúan como soporte son el gas carburante, argón, etc.
hornos al vacio para nitruración de baja presión horno para nitruración iónica
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 carbono, en los que el nitrógeno penetra demasiado rápido en la estructura y la capa nitrurada tiende a desprenderse. Resulta conveniente que en la composición de la aleación haya una cierta cantidad de aluminio 1 %. También es aplicable a los aceros inoxidables, aceros al cromo níquel y ciertas fundiciones al aluminio o al cromo. 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
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 impedir la 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 y de gran rapidez de penetración. 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.
Podemos realizar la cianuración de dos maneras diferentes, como son: A la flama el calentamiento del acero se realiza de forma local, de modo que con el enfriamiento se produzca un temple localizado en la región afectada. La profundidad de temple con este proceso varia de 1,5 a 6,5 mm este método se emplea en superficies de piezas grandes por su deformación que es mínima. Para aceros al carbono el contenido de este debe ser entre 0,35 % a 0,70 %, aunque también puede templarse a la llama aceros contenido de carbono más alto si se tiene cuidado de impedir el agrietamiento de la superficie. Para obtener buenos resultados con este proceso se debe tener cuidado en la característica de la flama, la distancia a la superficie, su velocidad de movimiento y el tiempo de enfriamiento por inmersión. Es necesario un revenido para liberar el material de los esfuerzos, siendo suficiente por lo general una temperatura de 200 °C aproximadamente. Sus principales aplicaciones son: para el temple de dientes de engranes, levas, extremos de rieles, llantas metálicas de rueda, etc.
PRODUCTOS TEMPERATURA
DE TRABAJO
CARASTERÍSTICAS
C3B 750-850 ºC
Indicado para carbonitruración por encima de A
C 2 750-850 ºC
C1B 750-850 ºC
GS 540 / C3B (30%) 750-860 ºC
GS 660 / C3B (30%) 750-850 ºC
NS 1 / NS 2B 700-720 ºC Indicado para carbonitruración por debajo de A
SULFINIZACIÓN
La sulfinización es un tratamiento termoquímico en el cual se introduce superficialmente azufre al acero. El objetivo no es mejorar las propiedades mecánicas sino mejorar su comportamiento frente al mecanizado. Se realiza en piezas ya terminadas. Consiste en elevar la temperatura de la pieza a 575°C aproximadamente en un baño de sales que ceden carbono, nitrógeno y azufre (estos dos últimos en menor cantidad), en aleaciones férreas y de cobre.
Se utiliza en aceros de bajo carbono donde la viruta no se corta sino que se deforma y es arrastrada acumulándose frente al ataque. La incorporación superficial del azufre genera sulfuro de hierro (S 2 Fe) como inclusión no metálica (impurezas), y se aloja en los bordes de grano lo que fragiliza al metal, lo cual hace que disminuya el punto de fusión. Después de la sulfinización las dimensiones de las piezas aumentan ligeramente, aumentando su resistencia al desgaste, favoreciendo la lubricación y evitando el agarrotamiento.
hornos con cinta transportadora para sulfinización
Máquinas para el lavado, desengrase y tratamiento de superficies de todo tipo de piezas (fosfatado, pasivado, decapado, secado, etc.).
Dedicado a: Consolación Luna Cubero.
