Los tratamientos superficiales del acero permiten endurecer la superficie de las piezas de manera controlada, de manera que sus propiedades sean distintas a las del núcleo. Entre ellos destacan el temple superficial, la cementación o la nitruración, que explicamos en este artículo.
Al final del artículo tenéis un vídeo con animaciones y no os olvidéis de repasar conceptos relacionados como el diagrama hierro-carbono, los diagramas TTT o los tratamientos térmicos de los aceros.
1. ¿Qué son los tratamientos superficiales?
En los aceros, los tratamientos de endurecimiento superficial o tratamientos superficiales del acero se utilizan para alcanzar una dureza mayor en la superficie de las piezas, sin necesidad de endurecer el núcleo. Cuando se aplica un tratamiento de temple general, el endurecimiento de toda la pieza se logra con la aparición de la martensita. Sin embargo, esto lleva asociado un aumento de la fragilidad, perdiendo capacidad de deformación plástica.
Para algunas aplicaciones, la fragilidad es no admisible. Para mejorar el rendimiento, se recurre a tratamientos superficiales que permiten obtener una superficie dura y resistente al desgaste, dejando el núcleo blando y tenaz, capaz de absorber los impactos.
Algunos tratamientos superficiales del acero son el templado superficial, la cementación y la nitruración.
2. Temple superficial
El temple superficial o templado superficial consiste en calentar únicamente la superficie hasta alcanzar la zona de la austenita, sin que esto ocurra en el interior de la pieza.
La austenita es una solución sólida de carbono en hierro con una solubilidad máxima del 2,11 % de carbono, que no existe a temperatura ambiente, ya que no es estable por debajo de 723ºC. Sin embargo, es un constituyente muy importante en los aceros, ya que se transforma en perlita, bainita o martensita , en función de la velocidad de enfriamiento. Tenéis más información sobre esto en el artículo sobre las curvas TTT.
Cuando se aplica un tratamiento de temple superficial se persigue lograr el siguiente mecanismo:
- En primer lugar, se incrementa la temperatura hasta la zona de existencia de la austenita, lo que disuelve la cementita del acero gracias a que la solubilidad del carbono es mayor que a temperatura ambiente.
- Posteriormente, la superficie se enfría rápidamente, quedando la cementita retenida y evitando los procesos de difusión atómica. Esto genera la microestructura de martensita que se caracteriza por su elevada dureza y por presentar forma de agujas.
Obviamente, hay que intentar no calentar el núcleo de la pieza para que este mecanismo solo tenga lugar superficialmente. Este proceso puede realizarse mediante distintos métodos:
Temple superficial a la llama
Este tratamiento se caracteriza por lograr el calentamiento mediante una llama que se mueve a una velocidad controlada a lo largo de la superficie de la pieza. Seguidamente, un sistema sincronizado de chorros de agua enfría la pieza, generando el templado.
Es importante el control de la velocidad para evitar que el calor penetre al núcleo, creando únicamente la capa endurecida que se desea.
Se trata de uno de los métodos más antiguos, es sencillo pero poco preciso debido a la dificultad de control de la llama.
Temple superficial por inducción
Se trata de un proceso tecnológicamente más complejo, que permite un mejor control de la capa endurecida, sobre todo en piezas pequeñas.
Aprovecha el fenómeno físico de la inducción electromagnética. Se utiliza una bobina por la que circula una corriente alterna de alta frecuencia, generando un campo magnético que penetra en la pieza. Esto crea unas corriente inducidas que calientan la superficie ya que la densidad de corriente es mayor en la superficie que en el núcleo (este fenómeno ocurre de manera natural, lo que permite la viabilidad del proceso). Posteriormente, el enfriamiento se lleva a cabo mediante dispersión de agua.
Temple superficial con láser
El temple superficial con láser permite calentar la superficie de la pieza de manera muy puntual, gracias a la potencia concentrada del láser. Se genera un incremento de temperatura en una zona muy localizada, mientras las zonas colindantes permaneces frías.
Es decir, la superficie se endurece automáticamente, siendo un proceso tecnológicamente avanzado que permite obtener grandes precisiones en el espesor de capa superficial endurecida.
Por ese motivo, el calor se disipa rápidamente, enfriando la superficie justo tras el paso del láser, generando un autotemplado sin la necesidad de enfriar con agua.
3. Proceso de cementación de los aceros
Los aceros con un bajo contenido en carbono (inferior al 0,2%) no adquieren una dureza alta al aplicar los tratamientos de temple, ya que tienen poca cantidad de cementita. Es decir, el templado es únicamente efectivo si la cantidad de carbono en el acero es alta.
La solución en estos casos consiste en la aplicación del proceso de cementación, que se basa en exponer la pieza a un entorno rico en carbono para que este se difunda por la superficie. Tradicionalmente, se utilizaba la cementación sólida, colocando la pieza en una caja rodeada de un cementante, como carbón. Actualmente, la cementación gaseosa se ha demostrado mucho más eficiente, situando la pieza en una atmósfera rica en carbono, como por ejemplo en metano.
En cualquier caso, son necesarias temperaturas altas (alrededor de 950ºC) y varias horas de tratamiento, para que el carbono colindante se difunda y penetre en la pieza, aumentando el contenido en carbono superficial. El resultado es una pieza con un contenido en carbono bajo en el núcleo, que no templa, y un contenido alto en la superficie, con capacidad de adquirir dureza.
Posteriormente, la pieza se saca del horno y se enfría rápidamente sumergiéndola en agua, para producir el templado superficial. Normalmente, le sigue un proceso de revenido para eliminar tensiones debido a las diferencias de dureza.
Como principal ventaja, la cementación genera tensiones residuales de compresión en la superficie de la pieza, lo que mejora el rendimiento de estas antes esfuerzos de fatiga.
4. Tratamiento de nitruración del acero
El temple superficial se basa en obtener una microestructura martensítica en la superficie de la pieza, sin que esta aparezca en el núcleo de la pieza. Por su parte, la cementación aumenta el contenido de carbono superficial, para posteriormente producir el templado.
Sin embargo, es posible endurecer superficialmente las piezas de acero sin necesidad de generar la aparición de martensita mediante el proceso de nitruración.
El proceso de nitruración consiste en la generación de nitruros en la superficie, que son compuestos de alta dureza y resistencia a la corrosión. Es ampliamente utilizado en aceros aleados con aluminio, cromo, vanadio y otros elementos.
Consiste en exponer la pieza a un ambiente nitrogenado, a una temperatura aproximada de 500ºC, durante varias horas o incluso días, por lo que se trata de un proceso que consume mucha energía. Los átomos de nitrógeno se difunden en la superficie y se combinan con los átomos de aluminio, cromo y el resto de elementos, formando nitruros muy duros y resistentes al desgaste.
Al igual que la cementación, genera tensiones residuales de compresión y, además, gracias a que no se genera transformación martensítica, se eliminan posibles distorsiones geométricas en la pieza, logrando mayor precisión geométrica.
Si queréis ampliar un poco más vuestros conocimientos sobre los tratamientos superficiales del acero os animo a ver el siguiente vídeo donde se detallan todos estos conceptos con animaciones!!