Endurecimiento Superficial: Carburación y Nitruración

Los procesos de endurecimiento superficial tienen como objetivo principal el obtener una superficie dura y resistente al desgaste, manteniendo al mismo tiempo un núcleo suave y tenaz. En muchas aplicaciones, la resistencia alcanzada en el núcleo no es importante o crítica y únicamente se busca generar una superficie con suficiente resistencia al desgaste.En otras aplicaciones, además de la alta dureza superficial también es importante generar en el núcleo alta resistencia y tenacidad. Para producir esta combinación de diferentes propiedades en la superficie y núcleo, es necesario recurrir a tratamientos de endurecimiento más especializados en los cuales únicamente una delgada capa superficial se endurece.


Los procesos que se encuentran son la carburización, carbonitruración, nitruración, nitrocarburización y boronizado. Dado que en todos estos procesos está involucrado un calentamiento y un cambio de composición, comúnmente también se les da el nombre de tratamientos termoquímicos. En la tabla 1 se presentan las características básicas de los procesos detratamiento termoquímicos.En los métodos de endurecimiento selectivo, el acero es rápidamente austenitizado, de modo que solamente una capa superficial alcanza el estado austenítico. La transformación de esta austenita a martensita genera la dureza y resistencia al desgaste de la superficie. El temple por inducción 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 láser y el endurecimiento con haz de electrones.

Tratamientos termoquímicos.

- Carburación.
La carburización es un proceso en el cual un acero en estado austenítico es puesto en contacto con un medio ambiente capaz de transferir átomos 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 concentración. .Obtenido el gradiente, el acero se templa, generalmente en aceite. La naturaleza continua dela transición entre la superficie rica en carbono y el núcleo de bajo carbono, combinado con la secuencia de transformación 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 características de la superficie carburizada.

El proceso de carburización se usa en la producción de todo tipo de partes en las cuales se requiera de una superficie dura, rica en carbono, junto con un núcleo tenaz con bajo contenido de carbono. Los aceros comúnmente utilizados para carburización contienen entre 0.10 y 0.25 por ciento en peso de carbono. Algunos aceros AISI-SAE típicos son 1018, 4320 y 8620.

La carburización se lleva a cabo normalmente en el intervalo de 850 a 950 °C,aunque se pueden utilizar también temperaturas menores o mayores a este intervalo. La adición de carbono a la superficie del acero se puede llevar a cabo mediante un gas(carburización gaseosa), un baño de sales fundidas (carburización líquida) o mediante uncompuesto sólido (carburización en caja o sólida).

- Nitruración.

La nitruración es un tratamiento termoquimico 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 tenifer.

La nitruración puede ser en horno gaseoso, en baño de sales fundidas 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 en baño de sales fundidas, las piezas se colocan en un crisol aireado con sales de cianuros, cianatos y carbonatos de sodio y/o potasio a una temperatura comprendida entre 525-650°C, usualmente 565°C, durante un tiempo comprendido entre los 60 y 240 minutos, dependiendo del espesor de capa de nitruro de hierro (Fe2N) que se quiera lograr.
El cianato en presencia de oxígeno libera iones carbonato, monóxido de carbono y nitrógeno atómico, el que se combina con el hierro metálico formando nitruro de hierro.

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 la piezas tengan un núcleo con cierta elasticidad, 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.