Investigación de Materiales de Ingeniería

Por: Luis Alfredo Blacio Romero Paralelo: 1

Profesor: Ing. Omar Serrano Fecha: 16/12/2014

Tratamientos Termoquímicos

CEMENTACIÓN

Se trata de un tratamiento termoquímico que se aplica en piezas de acero cuyo proceso aporta carbono a la superficie mediante difusión, que se impregna modificando su composición.Utilidad: La finalidad de este proceso es endurecer la superficie de una pieza sin modificar su núcleo, lo que origina una pieza formada por dos materiales: la del núcleo de acero (con bajo índice de carbono) tenaz y resistente a la fatiga, y la parte de la superficie (de acero con mayor concentración de carbono) 0,2% de carbono. Consiste en recubrir las partes a cementar de una materia rica en carbono, llamada cementante, y someter la pieza durante varias horas a altas temperaturas (típicamente, 900 °C). Estas condiciones provocan que el carbono penetre en la superficie que recubre una razón de 0,1 a 0,2 mm por hora de tratamiento. Luego se realiza el tratamiento térmico correspondiente, temple y revenido, y cada una de las dos zonas de la pieza adquirirá las cualidades que corresponden a su porcentaje de carbono. La cementación se aplica en todas aquellas piezas que deben poseer gran resistencia al choque y tenacidad junto con una gran resistencia al desgaste, como es el caso de los piñones, levas, ejes etc.Aceros de cementaciónLos más apropiados para este proceso son los de bajo contenido de carbono. El  cromo acelera la velocidad de penetración del carbono, los aceros al cromo níquel tienen buenas cualidades mecánicas y responden muy bien a este proceso. Una concentración de níquel por encima del 5% retarda el proceso de cementación. Según sean los requisitos de dureza y resistencia mecánica existen varios tipos de aceros adecuados para recibir este proceso Aceros para cementación al carbono: Cementación a 900 °C - 950 °C, primer temple a 880 °C - 910 °C en agua o aceite, segundo temple a 740 °C - 770 °C en agua. Revenido a 200 °C como máximo.Aplicaciones: en piezas poco cargadas y de espesor reducido, de escasa tenacidad en el núcleo. Aceros para cementación al Cr-Ni de 125 kgf/mm2: Tienen en su composición un 1% de Cr y un 4,15% de Ni. Cementación a 850 °C - 900 °C, primer temple a 900 °C - 830 °C en aceite, segundo temple a 740 °C - 780 °C en aceite. Revenido a 200 °C como máximo.Aplicaciones: Piezas de gran resistencia en el núcleo y buena tenacidad. Elementos de máquinas y motores. Engranajes, levas, etc. Aceros para cementación al Cr-Mo de 95 kgf/mm2: Tienen en su composición un 1,15% de Cr y un 0,20% de Mo. Cementación a 890 °C - 940 °C, primer temple a 870 °C - 900 °C en aceite, segundo temple a 790 °C - 820 °C en aceite. Revenido a 200 °C como máximo.Aplicaciones: Piezas para automóviles y maquinaria de gran dureza superficial y núcleo resistente. Piezas que sufran gran desgaste y transmitan esfuerzos elevados. Engranajes, levas, etc.

Aceros para cementación al Cr-Ni-Mo de 135 kgf/mm2: Tiene en su composición un 0,65% de Cr, un 4% de Ni y un 0,25% de Mo. Cementación a 880 °C - 930 °C, primer temple a 830 °C - 860 °C con aire o aceite, segundo temple a 740 °C - 770 °C con aceite. Revenido a 200 °C como máximo.Espesor/dureza Alcanzada:0.005 mm de espesor en carburante sólido, 0.3 a 0.5 en carburante líquido, hasta 1 mm en carburación gaseosa con calentado de 930 ° C por seis horas Dureza entre 58 a 60 HRC.Aplicaciones: Piezas de grandes dimensiones de alta resistencia y dureza superficial. Máquinas y motores de máxima responsabilidad, ruedas dentadas, etc.

CARBONITRURACIÓN

Es un proceso de endurecimiento superficial de carácter gaseoso. En este proceso se calienta un acero en una atmósfera gaseosa de composición tal que el C y N se absorben simultáneamente, obteniéndose una capa superficial muy dura. La atmósfera consiste en un "gas portador" enriquecido por gas natural, metano o propano (que proporcionan el C), y por amoníaco (que entrega el N necesario). El proceso de difusión de C y N se realiza entre 815 y 870ºC y luego se templa en aceite, para disminuir la distorsión y el peligro que se produzcan fisuras. El espesor de capa carbonitrurada es menor a 0,5 mm. Así por ejemplo, capas de 0,15 a 0,40 mm se obtienen con tiempo de Carbonitruración que van de 1/2 a 3 horas a una temperatura de 815°C.Condiciones:820 a 870 °C con permanencia de una hora en el baño de cianuros, temperatura por poco encima de la crítica del corazón de la pieza, calentamiento de 850 a 900 ° CTratamiento Térmico:- Carbonitruración líquida.-El proceso es similar al de la cianuración, ya discutida, pero en este caso el baño de cianuro no se envejece sino que se añaden a las mezclas cianatos alcalinos. ⁄nicamente empleando baños de composición bien definida se consiguen, con Uniformidad, los mismos resultados, con la formación de una zona de combinación y una capa martensítica. Para que un baño trabaje bien debe contener 16-20% KCNO y 45% NaCN. En lo demás, el proceso es similar al de la cianuración.- Carbonitruración gaseosa.-El nombre de este proceso es engañoso, pues no se refiere a un tratamiento subcritico como la nitruración, se debe considerar más bien como una forma modificada de la cementación con gas. La modificación consiste en introducir amoniaco en la atmósfera cementante. La disociación del amoniaco en la superficie de trabajo produce nitrógeno naciente que se difunde en el acero simultáneamente con el carbono. Generalmente la Carbonitruración se efectúa a temperaturas menores y

durante periodos más cortos que los usados en la cementación gaseosa y produce también una capa más delgada. En términos de las características de la capa, difiere de la carburación en que las capas cementadas no contienen nitrógeno y las capas nitratadas contienen fundamentalmente nitrógeno, mientras que las capas carbonitruradas contienen ambos elementos.Espesor/dureza Alcanzados:Con sales con 17 a 23% de cianuro a temperatura variable de entre 850 a 900°, se consiguen capas de espesor desde 0,2 a 1,5 mm. Con sales con 7,5 a 12% de cianuro a temperaturas de 875 a 950°, se consiguen sales de espesores variables entre 1 a 3 mm con dureza de 60 HRC

Aplicaciones:Este proceso se usa sobre todo, para lograr una capa dura, resistente al desgaste, con una profundidad de 0,075 a 0,75 mm. Esta capa es más templable que una cementada, por tanto carbonitrurando y templando se logra una capa dura a menos costo que una cementada. La dureza se puede lograr con menos distorsión al templar con aceite, o en algunos casos aun con Temple en gas, empleando una atmósfera protectora como medio templante. Los aceros que se carbonitruran comúnmente son los de las series AISI, 10 0,1 0 ,120 ,130 ,150 , 40 0,410 , 460 , 510 , 610 , 860 y 870 con contenidos de carbono hasta 0,25%. También muchos aceros de estas series con carbono entre 0,35 y 0,50% se carbonitruran en capas hasta de 0,3 mm.Los campos de aplicación son los mismos que en el caso de la cementación, ya que son procesos muy parecidos que proporcionan piezas con características similares. Básicamente se aplica en piezas que requieran una gran ductilidad y tenacidad (aportadas por el núcleo) a la vez que una gran resistencia al desgaste (aportada por la capa exterior). Algunos ejemplos son piñones, coronas, ejes, levas, guías, chavetas, etc.

NITRURACIÓN

La nitruración es un tratamiento térmico que se le da al acero. El proceso modifica su composición

añadiendo nitrógeno mientras es calentado. El resultado es un incremento de la dureza superficial

de las piezas. También aumenta la resistencia a la corrosión y a la fatiga. Una variante de este tratamiento, es el proceso.CondicionesNo todos los aceros son aptos para nitrurar, ya que en ocasiones el procedimiento puede resultar contraproducente, tales como los aceros al carbón, en los que el nitrógeno penetra demasiado rápido en la estructura y la capa nitrurada tiende a desprenderse.

Para este proceso resulta conveniente que en la composición de la aleación haya una cierta cantidad de aluminio (1% aproximadamente). Algunos ejemplos de aceros aptos para la nitruración son:

Acero para nitruración al Cr-Mo-V de alta resistencia: La composición extra de este acero es la siguiente: 0,32% C, 3,25% Cr, 0,40% Mo y 0,22%V. Una

vez tratado alcanza una resistencia mecánica de 120 kg/mm2. La capa nitrurada se adhiere muy bien al núcleo sin temor a descascarillamiento. Se utiliza para construir piezas de gran resistencia y elevada dureza superficial para resistir el desgaste.

Acero para nitruración al Cr-Mo-V de resistencia media: la composición extra de este acero es 0,25% C, 3,25%Cr, 0,40% Mo y 0,25% V. Tiene características y aplicaciones parecidos al anterior, solamente que su resistencia mecánica es de 100kg/mm2.

Acero para nitruración al Cr-Al-Mo de alta dureza: la composición extra de este acero es 0,40% C, 1,50% Cr, 0,20% Mo y 1% Al. La capa nitrurada de este acero puede descascarillarse y es de gran fragilidad. Se utiliza para piezas que soporten una resistencia media y la mayor dureza superficial posible. Si la pieza es muy blanda puede ser recomendable un temple previo a la nitruración para endurecerla y evitar el descascarillamiento.

Este tratamiento también es aplicable a algunos aceros inoxidables, aceros al cromo-níquel y ciertas fundiciones al aluminio o al cromo.Tratamiento térmico:La nitruración puede ser en horno o iónica. En el primer caso la pieza se introduce en un horno en el que se llena la atmósfera con amoníaco y luego se calienta a temperaturas de aproximadamente 500°C. Esto hace que el amoníaco se descomponga en nitrógeno e hidrógeno; el hidrógeno se separa del nitrógeno por diferencia de densidad y el nitrógeno, al entrar en contacto con la superficie de la pieza, forma un recubrimiento de nitruro de hierro.

En el caso de la nitruración iónica, las moléculas de amoníaco se rompen mediante la aplicación de

un campo eléctrico. Esto se logra sometiendo al amoníaco a una diferencia de potencial de entre

300 y 1000 V. Los iones de nitrógeno se dirigen hacia el cátodo (que consiste en la pieza a tratar) y

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%.

Espesor/dureza Alcanzados:700-1000HV hasta 0.8 mmAplicaciones:

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, árboles de

levas, engranajes sin fin, 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.

Referencias:

http://es.slideshare.net/jorgefllano/materiales-ii-tratamientos-trmicostermoqumicossemana-14sesin-1

http://es.slideshare.net/albertojeca/tratamientos-termoquimicos