UNIDAD 6 ENDURECIMIENTO SUPERFICIAL Los procesos de endurecimiento superficial tienen como objetivo principal el obtener una superficie dura y resistente al desgaste, manteniendo al mismo tiempo un ncleo suave y tenaz. En muchas aplicaciones, la resistencia alcanzada en el ncleo no es importante o crtica y nicamente se busca generar una superficie con suficiente resistencia al desgaste. En otras aplicaciones, adems de la alta dureza superficial tambin es importante generar en el ncleo alta resistencia y tenacidad. Para producir esta combinacin de diferentes propiedades en la superficie y ncleo, es necesario recurrir a tratamientos de endurecimiento ms especializados en los cuales nicamente una delgada capa superficial se endurece. Las principales ventajas que tienen los procesos de endurecimiento superficial sobre los tratamientos convencionales de endurecimiento por temple son: 1) Menor distorsin comparada con el temple normal de aceros en toda su seccin. 2) Las propiedades de fatiga de la pieza se pueden controlar y frecuentemente se mejoran. 3) Se pueden lograr combinaciones de propiedades en la superficie y ncleo que no pueden obtenerse por tratamientos convencionales de temple. 4) El endurecimiento superficial se puede aplicar a piezas muy voluminosas las cuales, por efecto de su masa o riesgo de rotura, no sera prctico endurecerlas por temple convencional. 5) El proceso de endurecimiento puede ser selectivo, de modo que slo algunas reas superficiales sean endurecidas. Este proceso de endurecimiento selectivo sera muy difcil de aplicar en un temple convencional. 6) La descarburizacin y la formacin de cascarilla es mnima, lo cual es ventajoso en partes cuyo maquinado ya est terminado. Los procesos de endurecimiento superficial se pueden dividir en: (a) Mtodos que involucran la adicin de una nueva capa de material, tales como: Sobrecapa soldada (hardfacing). Rociado trmico. Recubrimientos (cromo duro, nquel electroless, etc.). Mtodos de pelcula (CVD, chemical vapor deposition; PVD, physical vapor deposition). (b) Mtodos que involucran modificaciones en la superficie sin la adicin de una nueva capa: Mtodos de difusin. Mtodos de endurecimiento selectivo. En los prrafos siguientes solamente se discutirn los mtodos del inciso (b). En los mtodos de difusin, se altera la composicin de la superficie del acero agregando uno o ms elementos (generalmente carbono y/o nitrgeno) los cuales, mediante la formacin de austenita y su transformacin a martensita o bien, mediante la formacin de nuevos constituyentes (carburos, nitruros) inducen un fuerte endurecimiento superficial. Entre estos

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procesos se encuentran la carburizacin, carbonitruracin, nitruracin, nitrocarburizacin y boronizado. Dado que en todos estos procesos est involucrado un calentamiento y un cambio de composicin, comnmente tambin se les da el nombre de tratamientos termoqumicos. En la tabla 1 se presentan las caractersticas bsicas de los procesos de tratamiento termoqumicos. En los mtodos de endurecimiento selectivo, el acero es rpidamente austenitizado, de modo que solamente una capa superficial alcanza el estado austentico. La transformacin de esta austenita a martensita genera la dureza y resistencia al desgaste de la superficie. El temple por induccin y el temple a la llama son los dos procesos principales que pertenecen a este grupo, aunque recientemente se han incorporado otros tales como el endurecimiento mediante lser y el endurecimiento con haz de electrones. 6.1. Tratamientos termoqumicos. 6.1.1. Carburizacin. La carburizacin es un proceso en el cual un acero en estado austentico es puesto en contacto con un medio ambiente capaz de transferir tomos de carbono a la superficie del acero. Una vez que el carbono ha sido absorbido en la superficie, se difunde hacia el interior dando origen a un gradiente de concentracin, tal como el mostrado en la figura 6.1. Obtenido el gradiente, el acero se templa, generalmente en aceite. La naturaleza continua de la transicin entre la superficie rica en carbono y el ncleo de bajo carbono, combinado con la secuencia de transformacin de la austenita de todo el componente durante el temple, da por resultado un gradiente microestructural y un perfil de esfuerzos residuales que definen las propiedades caractersticas de la superficie carburizada. El proceso de carburizacin se usa en la produccin de todo tipo de partes en las cuales se requiera de una superficie dura, rica en carbono, junto con un ncleo tenaz con bajo contenido de carbono. Los aceros comnmente utilizados para carburizacin contienen entre 0.10 y 0.25 porciento en peso de carbono. Algunos aceros AISI-SAE tpicos son 1018, 4320 y 8620. La carburizacin se lleva a cabo normalmente en el intervalo de 850 a 950 C, aunque se pueden utilizar tambin temperaturas menores o mayores a este intervalo. La adicin de carbono a la superficie del acero se puede llevar a cabo mediante un gas (carburizacin gaseosa), un bao de sales fundidas (carburizacin lquida) o mediante un compuesto slido (carburizacin en caja o slida). Mecanismo de la carburizacin. El proceso mediante el cual se incorpora carbono a la superficie del acero involucra dos fenmenos: (a) absorcin de carbono en la superficie y (b) difusin de la superficie hacia el interior. La absorcin de carbono se lleva a cabo mediante una serie de reacciones qumicas que tienen lugar principalmente en el medio carbuizante y que no involucran directamente al metal, pero que pueden ser catalizadas por la presencia del mismo. El resultado de estas reacciones es la transferencia de tomos de carbono del medio a la superficie del acero, donde el carbono entra en solucin slida intersticial.

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Tabla 1. Caractersticas tpicas de los tratamientos de difusin o termoqumicos.Proceso CarburizacinAceros al carbono y de baja aleacin con bajo carbono. Buen control de la profundidad de capa, adecuado para operacin continua. Se requiere control de la atmsfera, puede ser explosiva la atmsfera. Aceros al carbono y de baja aleacin con bajo carbono. Proceso ms rpido que carburizacin slida y gaseosa. Puede haber problemas con deshechos. El bao de sales requiere mantenimiento frecuente. Aceros al carbono y de baja aleacin con bajo carbono. Bajo costo del equipo. Hay dificultad para controlar adecuadamente la profundidad de capa Aceros al carbono y de baja aleacin con bajo carbono. Excelente control del proceso. Proceso ms rpido que la carburizacin gaseosa. Alto costo del equipo.

Naturaleza de Temperatura Profundidad de Dureza de la la capa C capa tpica capa, DRC

Metal base a quien se aplica / caractersticas del proceso

Gaseosa

Difusin de C

815-980

75m 1.5 mm

50-63 (a)

Lquida

Difusin de C y posiblemente N Difusin de C

815-980

50m 1.5 mm

50-65 (a)

Slida

815-1090

125m 1.5 mm

50-63 (a)

Vaco

Difusin de C

815-1090

75m 1.5 mm

50-63 (a)

NitruracinDifusin de N, compuestos de N Aceros aleados, aceros para nitruracin, aceros inoxidables. Se obtiene mayor dureza de capa en aceros para nitruracin, no se requiere temple, es un proceso con baja distorsin, el proceso e lento y generalmente es por lotes. La mayor parte de los materiales ferrosos, incluyendo a los hierros colados. Generalmente se utiliza para capas delgadas (