PARTE 5

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Tratamientos térmicos superficiales
Definición
Son estrategias de calentamiento – enfriamiento, que tienen por objeto, generar piezas con una capa de espesor más o menos delgado, de alta dureza, y un núcleo dúctil y tenaz, que permita soportar esfuerzos de magnitud variable.
Dentro de estas estrategias podemos citar dos grupos:
· Temples superficiales: en estos casos, se producirá un incremento súbito de la temperatura en la superficie, seguida del enfriamiento, antes de que el flujo de calor se propague hacia el interior de la pieza. Para ello, el acero base debe tener una cantidad de carbono suficiente para aceptar el endurecimiento por temple sin ser demasiado frágiles (entre 0,3 y 0,4% de carbono)
· Tratamientos termoquímicos: en estor procedimientos, se modificará la composición química de la superficie de la pieza con el fin de proporcionarle dureza, o bien, de darle las condiciones óptimas para recibir un tratamiento de temple ulterior. En estos casos, los aceros base, utilizados deben ser de gran ductilidad y tenacidad (aceros de bajo carbono)
Cementación
En términos generales esta estrategia consiste en incrementar el porcentaje de carbono en una capa superficial cuyo espesor varía entre 1 y 3 milímetros hasta lograr una composición de 0,8% (respecto de un acero base cuya composición de carbono está entre 0,1 y 0,2% de carbono). Dicho incremento permitirá desarrollar estrategias de temple superficial, sin alterar sustancialmente las propiedades del núcleo de la pieza, tal como veremos más adelante.
Un protocolo de cementación consta de los siguientes pasos:
1- Calentamiento por encima de la línea crítica superior: Para un acero de bajo carbono, esta temperatura se encuentra por encima de los 900ºC. A dicha temperatura, el acero se ha austenizado totalmente, y dado que, la austenita tiene una gran capacidad de disolución del carbono, está presta a absorberlo de la atmósfera que lo rodea.
2- Mantener la temperatura alcanzada (temperatura de cementación ) entre 3 y 5 horas en una atmósfera cementante, rica en monóxido de carbono. A dicha temperatura se produce la reacción:
Donde representa el carbono disuelto en austenita.
3- Enfriamiento final (que puede ser con un temple directo desde la temperatura de cementado, tal como lo indica la figura, o con un enfriamiento lento, seguido de alguna estrategia de temple posterior, tal como veremos más adelante).
La diferencia de carbono entre la atmósfera cementante y el acero base, (llamado gradiente de carbono, promueve un flujo de átomos de carbono desde la fuente de potencial mayor, a la fuente de potencial menor, provocando la incorporación del carbono, desde la superficie de la pieza hacia adentro.
El mayor contenido de carbono se establecerá en una capa cuyo espesor dependerá del tiempo de exposición a la atmósfera cementante. A partir de allí, el proceso de difusión del carbono desarrollará una capa de transición que irá reduciendo el porcentaje de carbono gradualmente, hasta alcanzar la composición del acero base.
El gradiente de carbono establecerá la máxima cantidad de carbono en capa cementada. Una excesiva cantidad de monóxido de carbono en la atmósfera cementante producirá una capa hipereutectoide, con la aparición de cementita secundaria; diremos entonces que se produjo un hipercementado. Si la cantidad de monóxido es baja, entonces, la capa cementada no llegará a lograr una composición de 0,8% de carbono, mostrando una organización predominantemente perlítica, con algunos granos aislados de ferrita primaria; diremos entonces, que se produjo un hipocementado.
Podríamos decir que, el hipocementado y el hipercementado, si se alejan demasiado de la composición eutectoide en la capa cementada, resultan defectos de un tratamiento de cementado, pues, como veremos más adelante, la temperatura de austenización de la capa cementada se acerca mucho a la temperatura de austenización correspondiente al acero base, impidiendo el desarrollo de las estrategias de endurecimiento posterior a la etapa de cementado. 
Respecto al modo empleado para generar la atmósfera cementante, se conocen tres metodologías diferentes:
· Cementado por medio sólido:
En este caso, la pieza se coloca dentro de una mufla o recipiente de acero, junto con partículas de carbón de coque y carbonato de bario (que se utiliza como catalizador del proceso), en capas alternadas. La mufla, luego de completarse la carga, se sella con una tapa adherida con arcilla.
En estas condiciones, la mufla se coloca en el horno y se lleva a la temperatura de cementado. En esas condiciones, se produce la combustión del carbón de coque, en presencia de una escasa cantidad de oxígeno (cuya presencia depende del tamaño de la granulometría del particulado). La combustión incompleta generará el monóxido de carbono necesario para el proceso.
Este método, es muy sencillo y económico, sin embargo, resulta complicado manejar con precisión las variables del proceso, a los efectos de controlar la composición de carbono en capa y el espesor de la misma.
· Cementado por medio líquido:
En este caso, la pieza a cementar se sumerge en un baño de sales de cianuro fundidas a la temperatura de cementado. La propia composición de las sales de cianuro aporta el carbono activo necesario para la cementación. No obstante, también poseen buena concentración de nitrógeno, con lo que este método también puede utilizarse para un proceso de nitrurado o de carbonitrurado. El control de dichos procesos se desarrolla a partir de la temperatura del baño de cianuro, y del tiempo de permanencia de la pieza en el baño. Si la temperatura no alcanza la austenización de la pieza, la incorporación del carbono no tendrá lugar, activándose únicamente el proceso de formación de nitruros, el cual demora mucho más tiempo en desarrollarse. Si, por el contrario, la temperatura del baño austeniza la pieza, al acero tendrá capacidad de absorción de los átomos de carbono, y en un tiempo de permanencia mucho menor, se completará el proceso de cementado. En términos de desventajas de este proceso, podemos citar la alta peligrosidad de los vapores de cianuro, y el hecho de que algunas geometrías de piezas incorporan en la inmersión, burbujas de aire que provocan diferencias en el contenido de carbono, o bien, cuencos en los cuales se deposita cianuro, que se retira cuando la pieza emerge del baño.
· Cementado por medio gaseoso:
En este caso, el acero se calienta en contacto con monóxido de carbono y/o algún hidrocarburo gaseoso, como metano, propano o butano, que, fácilmente se descompone a la temperatura de cementación. La práctica comercial es usar gas transportador como el obtenido con un generador endotérmico y enriquecerlo con uno de los gases de hidrocarburos
 
Al producirse las reacciones dentro del horno, tenderá a aumentar la cantidad de dióxido de carbono, y a reducirse la cantidad de monóxido de carbono (gas enriquecedor). Esto será constatado por sensores de monóxido, alojados dentro del horno. Los sensores activarán por un mecanismo automático, una nueva incorporación de mezcla cementante, manteniendo el porcentaje de monóxido de carbono estable durante todo el proceso. Esto permitirá controlar con gran precisión el contenido de carbono en capa cementada, y el espesor de la misma. Este proceso es el más aconsejable, sin embargo, exige una inversión inicial importante en las instalaciones, por lo cual, se justifica en grandes escalas.
Estrategias de temple pos - cementado
Una vez que se ha completado el tratamiento de cementado, debe procederse a la ejecución de una estrategia de endurecimiento por temple.
El importante tener en cuenta que nuestra pieza se ha convertido en un material constituido por dos tipos de acero diferentes: una capa de composición 0,8% de carbono y temperatura de austenización de 723ºC; y un núcleo de composición 0,1 – 0,2% de carbono y temperatura de austenización de 900ºC (aproximadamente). Estas diferencias entre el material que constituye el núcleo y el material que constituye la capa, permitirán desarrollarvariadas estrategias de endurecimiento, según las exigencias de calidad, dimensiones de la pieza y costo del tratamiento.
A continuación, desarrollaremos las más importantes:
1- Temple directo desde la temperatura de cementado:
Completada la operación de cementado, la pieza será extraída del horno y enfriada directamente en un medio de temple. Si bien esta estrategia es la más sencilla y económica, proporciona una martensita de agujas grandes (menor calidad por ser más quebradiza) por generarse desde una temperatura más alta, y mayor cantidad de austenita retenida. Además, el enfriamiento debe ser brusco, lo que indica que la pieza no debe ser de gran diámetro.
2- Temple simple sin afino de núcleo
En este caso, se enfriará la pieza, una vez completado el cementado, y luego se volverá a calentar, solo hasta austenizar la capa. El enfriamiento brusco producirá agujas finas de martensita, y un núcleo dúctil y maquinable, dado que el endurecimiento no alcanzará el material del núcleo.
3- Temple simple con afino de núcleo
En este caso, (observar la línea segmentada de la figura anterior) se enfriará la pieza, una vez completado el cementado, y luego se volverá a calentar, pero en este caso, hasta austenizar el núcleo. El enfriamiento posterior producirá agujas gruesas de martensita y algo de austenita retenida, sin embargo, el núcleo tendrá una constitución con predominio de perlita fina y algo de martensita gruesa, lo que le aporta un comportamiento excelente desde el punto de vista de su tenacidad y resistencia mecánica.
4- Temple doble desde temperatura de cementado
En esta estrategia se plantea un enfriamiento rápido desde la temperatura de cementado, ya que tenemos austenizado tanto núcleo como capa, para otorgar un cierto refinamiento del núcleo. Una vez frío, se volverá a calentar hasta la temperatura de austenización de la capa, para mejorar la calidad de su estructura martensítica. A diferencia del temple directo, esta estrategia mejora la calidad de la dureza de la capa cementada, sin embargo, mantiene la limitación en el diámetro de la pieza.
5- Temple doble
En este caso, enfriaremos lento desde temperatura de cementado, para luego volver a calentar hasta temperatura de austenización del núcleo y realizar su afino, y luego, volver a calentar hasta la temperatura de austenización de la capa y realizar su temple definitivo. Esta estrategia es costosa, pero logra obtener las mejores propiedades en núcleo y capa, sin restricciones de diámetro de la pieza.
6- Cementación con baño bainìtico y temple de capa
Esta estrategia plantea un descenso brusco desde temperatura de cementado con inmersión en un baño a 500ºC para la formación de perlita fina y bainita plumosa en el núcleo de la pieza. Posteriormente se vuelve a calentar hasta la temperatura de austenización de la capa cementada y se templa, obteniendo agujas de martensita fina. Esta estrategia produce piezas de gran calidad, sin embargo, el baño bainìtico restringe su utilización a piezas de diámetro relativamente bajo.
 Nitruración
Este tratamiento consiste en generar el endurecimiento superficial de la pieza a partir de la formación de nitruros. Estas moléculas son extremadamente duras, otorgándole a la pieza una dureza elevada sin necesidad de un tratamiento de endurecimiento posterior. Además, dado que no solubilizan en ferrita, se acumulan en las fronteras de grano, impidiendo el contacto del oxígeno de la atmósfera con los granos de ferrita y aumentando la resistencia a la oxidación. 
La metodología consiste en elevar la temperatura de la pieza hasta los 560ºC aproximadamente, y exponerla durante un tiempo prolongado, (que puede llegar hasta 12 o 15 horas, y hasta 60 horas en función del espesor de capa nitrurada) a una atmósfera compuesta por gas amoníaco () y amoníaco disociado ().
Lo ideal para este tratamiento, es utilizar aceros aleados con cromo y/o molibdeno. Los nitruros formados con estos metales entregan propiedades superficiales de mayor calidad, al tiempo que otorgan mejores comportamientos de dureza y resistencia al desgaste.
Una superficie endurecida por nitrurado presenta dos zonas distintas. En la externa, los metales que forman los nitruros, incluyendo el hierro, se convierten en nitruros. Esta región, que varía de espesor hasta un máximo de 0,5 mm, comúnmente se conoce como capa blanca después de su apariencia después de un ataque químico con nital. En la segunda zona, solo los nitruros aleados se han precipitado.
El espesor de la capa blanca queda determinado por la velocidad de difusión del nitrógeno, por lo tanto, el medio de nitruración debe tener solo suficiente nitrógeno activo para mantener la capa blanca. Cualquier incremento de nitrógeno, más allá de esa composición, sirve para aumentar la profundidad de la capa blanca sin afectar el espesor de la capa de nitruros aleados (capa de difusión). Esto resulta inconveniente, dado que la capa blanca es frágil y tiende a astillarse si su espesor sobrepasa 0,01mm. Cuando el espesor de esta capa es más grande que este valor, suele realizarse sobre la superficie de la pieza, un rectificado posterior al proceso de nitrurado.
La concentración de nitrógeno activo sobre la superficie del acero queda determinada por la cantidad de amoníaco disociado presente en la atmósfera nitrurante.
En el proceso de nitruración convencional, el amoníaco disociado se mantiene entre un 15 y un 30%.
Existe un proceso de doble etapa, conocido como método Floe, en el cual, primero se mantiene el material a 520ºC, entre 5 y 10 horas en contacto con una atmósfera de 20% de NH. Durante esta etapa se desarrolla una capa blanca de espesor muy delgado, y se comienza a formar la capa de nitruros aleados. En una segunda etapa, se eleva la temperatura a 570ºC, y se incrementa la cantidad de NH a valores de 85%, a los efectos de profundizar el espesor de la capa de nitruros aleados. 
Con este método, la capa blanca se reduce a un espesor de 50 micrones, y puede evitarse el rectificado de la superficie.
Más allá de las importantes ventajas de este tratamiento respecto a las propiedades mecánicas que le otorga a la superficie de la pieza, debemos decir que el nitrurado es un tratamiento subcrítico, lo cual genera importantes ventajas debido a que los fenómenos de deformación debidos a los cambios volumétricos por diferencia de temperatura son mucho menores que en otros tratamientos.
Sin embargo, la gran duración del tratamiento de nitrurado (de 12/16 horas o más), el costo del proceso y los costos de los aceros utilizados como material de base, hacen de este tratamiento uno de los de mayor caros.
El proceso se completa con un revenido posterior a 500ºC, para mejorar las condiciones de tenacidad de la capa nitrurada.
Temple por llama
En este caso, la fuente de calor es un soplete oxiacetilénico, que puede tener formas variadas según la geometría de la superficie a endurecer.
La profundidad de la capa templada puede ajustarse mediante la intensidad de la llama, el tiempo de calentamiento o la velocidad con que se mueve la pieza o el soplete. Respecto a esta última variable, se utilizan cuatro estrategias diferentes:
· Estacionario: sin movimiento de pieza ni soplete (solo para piezas pequeñas)
· Progresivo: con movimiento de traslación del soplete sobre la pieza que se mantiene fija.
· Giratorio: con rotación de la pieza, y posicionamiento fijo del soplete
· Progresivo – giratorio: movimiento coordinado de rotación de la pieza, y traslación del soplete.
En todos los casos, el enfriamiento debe hacerse lo más rápido posible, después de concretarse el proceso de calentamiento.
En general se realiza por lluvia de agua sobre la pieza, o inmersión en agua o aceite, o simplemente aire, en aceros de gran templabilidad.
Después del templado, se realiza un revenido a 200ºC con enfriamiento en aire para eliminar tensiones residuales.
Temple por inducción
En este caso, la fuente de calentamiento se produce mediante corrientes parásitas, inducidas bajo la acción de un campo magnético altamente cambiante(alta frecuencia). 
La bobina de calentamiento esta constituida por una tubería de cobre refrigerada por agua, cura forma depende de la forma del campo magnético a generar.
En estos casos, el ajuste del proceso de calentamiento, que define el espesor de la capa templada, se define mediante la frecuencia del ciclo de la corriente, o bien, por la velocidad de pasaje de la pieza a través de la bobina.
Tanto el proceso de enfriamiento como el material base utilizado, no difiere al empleado en el método de temple por llama. En general, los aceros al carbono de medio carbono, enriados por luvia de agua, logran excelentes valores de dureza, con espesores de capa muy delgados.