¿Qué es el endurecimiento superficial?

Los componentes de la maquinaria están sujetos a desgaste, fatiga y corrosión, lo que reduce el rendimiento y reduce la vida útil.

Si no se abordan, estos problemas resultan en tiempos de inactividad imprevistos, reparaciones costosas y una disminución de la productividad. Las consecuencias pueden ser graves para las industrias que dependen en gran medida de la maquinaria.

El endurecimiento de la superficie es una técnica probada que mejora la durabilidad y longevidad de los componentes críticos de la maquinaria, minimizando el desgaste y manteniendo la tenacidad del material del núcleo.

¿Qué es el endurecimiento superficial?

El endurecimiento superficial es una técnica de tratamiento de materiales que mejora la durabilidad y el rendimiento de los componentes metálicos al aumentar la dureza de la superficie exterior, manteniendo un núcleo relativamente blando. Este tratamiento optimiza las propiedades del material creando un gradiente de dureza dentro de un mismo componente para satisfacer diferentes requisitos funcionales. Se suele aplicar como una de las etapas finales del proceso de fabricación.

El proceso se centra en el endurecimiento de la capa exterior de un material, en particular del acero, para resistir eficazmente el desgaste. Al mismo tiempo, la capa interior, más dúctil, proporciona la tenacidad y la resistencia al impacto necesarias. Al endurecer selectivamente solo la superficie, los componentes pueden beneficiarse de una mayor resistencia al desgaste sin comprometer la resistencia y tenacidad generales de la pieza.

El principio básico del endurecimiento superficial consiste en alterar la microestructura y la composición de la superficie del material mediante diversos métodos, como el tratamiento térmico, la modificación química o la deformación mecánica. Estas técnicas suelen implicar el calentamiento de la superficie a un rango de temperatura específico, seguido de un enfriamiento rápido o temple para transformar la capa exterior en una fase más dura y resistente al desgaste, preservando al mismo tiempo el núcleo más blando y dúctil.

Métodos comunes de endurecimiento de superficies

Carburación

• Carburación de paquetesEste proceso consiste en colocar la pieza en un recipiente de acero lleno de un compuesto rico en carbono, como carbón vegetal o coque, junto con carbonatos que actúan como activadores. El recipiente se calienta a temperaturas de entre 925 °C y 955 °C, lo que promueve la liberación de monóxido de carbono, que se difunde en la superficie del acero.
• Carburación de gasEn este método, la pieza se calienta en un horno que contiene un gas rico en carbono, como monóxido de carbono, dióxido de carbono, metano o propano. La carburación con gas permite un mejor control del potencial de carbono y se utiliza a menudo para la producción continua a gran escala.
• Carburación líquidaEsta técnica requiere sumergir la pieza en un baño de sales fundidas ricas en carbono, como cianuro de sodio, cianuro de bario o cianuro de calcio, a temperaturas de entre 815 °C y 980 °C. La carburación líquida introduce carbono y nitrógeno en la superficie, lo que aumenta aún más la dureza, y suele ser más rápida que otros métodos de carburación. Sin embargo, se utiliza generalmente para lotes pequeños e implica sales de cianuro altamente tóxicas.
• Carburación al vacíoEste proceso avanzado utiliza hidrocarburos en un horno de vacío a temperaturas de entre 815 °C y 1090 °C, lo que permite un control preciso del proceso de difusión y de los ciclos de carburación. La carburación al vacío suele producir una cementación uniforme y de alta calidad, con una profundidad de capa carburizada de entre 75 μm y 1.5 mm y una dureza superficial de 50-63 HRC.

Nitruración

• Nitruración gaseosaEn este proceso, la superficie metálica se endurece a temperaturas de entre 480 °C y 590 °C en atmósfera de amoníaco. La duración del proceso determina la profundidad de la reductores y es especialmente adecuado para mejorar la resistencia a la fatiga y la precisión.
• Nitruración en baño de sal:El material se sumerge en un baño líquido que contiene una sal a base de nitrógeno, normalmente una sal de cianuro, que también introduce carbono (nitrocarburación), a temperaturas entre 510°C y 570°C.
• Nitruración por plasmaTambién conocido como nitruración iónica, este método utiliza un campo eléctrico para ionizar el nitrógeno a temperaturas entre 340 °C y 565 °C. La nitruración por plasma permite un control preciso de la microestructura de nitruración y puede realizarse con o sin la formación de una capa compuesta.

Carbonitruración

• Carbonitruración de gasEste proceso se lleva a cabo en un horno con atmósfera gaseosa de amoníaco mezclado con hidrocarburos a temperaturas entre 760 °C y 870 °C. La carbonitruración gaseosa es ideal para la producción en masa de componentes pequeños.
• Carbonitruración líquidaTambién conocido como cianuración, este método utiliza un baño de sales de cianuro para introducir carbono y nitrógeno. Es un proceso rápido y eficaz que produce una capa delgada y dura (0.254-0.762 mm), más dura que la obtenida mediante carburación.
• Nitrocarburación ferrítica:Realizado a temperaturas más bajas (565-675°C) donde la microestructura del acero permanece ferrítica, este proceso minimiza la deformación y produce una capa endurecida muy delgada (2.5-25 micrones) con una dureza menor (40-60 HRC).

Endurecimiento de la transformación

• Endurecimiento por induccionEste método utiliza inducción electromagnética para calentar rápidamente la superficie metálica mediante bobinas de cobre especialmente diseñadas que transportan corriente alterna. La zona calentada se enfría inmediatamente con agua, aceite o un líquido a base de polímeros para formar martensita. El endurecimiento por inducción proporciona un efecto de endurecimiento localizado, permitiendo que zonas específicas de una pieza se endurezcan mientras el resto permanece blando y tenaz.
• Apagado de llamaEn este proceso, la superficie metálica se calienta a su temperatura de austenización mediante una llama directa (generalmente de un soplete de oxiacetileno u oxipropano), seguida de un temple rápido, generalmente en agua. El temple a la llama es un método relativamente sencillo para endurecer aceros con alto contenido de carbono (generalmente 0.4-0.6 % de carbono), logrando capas templadas de entre 0.1 mm y 6 mm de espesor y produciendo capas de hasta 1 mm de espesor.

Endurecimiento por láser

El endurecimiento por láser es un proceso de tratamiento térmico que utiliza un rayo láser de alta potencia para calentar rápidamente la capa superficial de un material metálico por encima de su temperatura crítica. Esto forma martensita dura durante el temple posterior, que suele ocurrir por autotemplamiento debido a la conducción de calor hacia el material más frío. No se produce fusión durante el endurecimiento por láser.

endurecimiento por precipitación

El endurecimiento por precipitación aumenta la resistencia de una aleación al crear una solución sólida sobresaturada e inducir la precipitación de partículas finas dentro de la matriz. Este proceso se utiliza habitualmente para aleaciones de aluminio, níquel y titanio.

Peening de disparo

El granallado es un método mecánico de endurecimiento superficial que consiste en bombardear una superficie con pequeñas partículas duras para inducir tensiones residuales de compresión, mejorando así la resistencia a la fatiga. Este proceso se utiliza comúnmente en resortes, engranajes y otros componentes sometidos a cargas cíclicas.

Trabajo en frio

El trabajo en frío es otro método mecánico que endurece la superficie mediante deformación plástica a una temperatura inferior a la temperatura de recristalización del material. Este proceso aumenta la densidad de dislocaciones y el refinamiento del grano, lo que mejora la dureza y la resistencia.

Materiales comúnmente sometidos a endurecimiento superficial

• Acero con bajo contenido de carbono (acero dulce)Los aceros bajos en carbono, con un contenido de carbono entre el 0.05 % y el 0.3 %, son especialmente adecuados para procesos de endurecimiento superficial como la carburación y la nitruración. El bajo contenido de carbono permite que el material mantenga un núcleo blando y dúctil mientras se endurece la superficie.
• Acero al carbono medioLos aceros con un contenido de carbono de entre el 0.3 % y el 0.6 % se consideran aceros de medio carbono. Los niveles más altos de carbono proporcionan suficiente contenido para el endurecimiento por transformación de fase, lo que los convierte en candidatos idóneos para tratamientos de endurecimiento por inducción y a la llama.
• Aleación de aceroLos aceros aleados contienen elementos de aleación adicionales al carbono, como cromo, níquel o molibdeno. Estos aceros pueden endurecerse superficialmente mediante diversos métodos, como la carburación, la nitruración, el endurecimiento por inducción y el endurecimiento por láser. Los elementos de aleación específicos influyen en la templabilidad del acero y su respuesta a las diferentes técnicas de endurecimiento superficial.
• Acero inoxidableTanto los aceros inoxidables austeníticos como los martensíticos pueden beneficiarse del endurecimiento superficial. La nitruración, la carbonitruración y el endurecimiento por inducción son métodos comunes para aumentar la dureza superficial y la resistencia al desgaste de los aceros inoxidables, preservando al mismo tiempo sus propiedades anticorrosivas.
• hierro fundidoDiferentes tipos de hierro fundido, como la fundición gris y la fundición dúctil, pueden endurecerse superficialmente para mejorar su resistencia al desgaste y durabilidad. La carburación, la nitruración por baño de sales y el temple por inducción son opciones viables para los componentes de hierro fundido.
• AluminioAunque no es tan común como el endurecimiento superficial de materiales ferrosos, el aluminio puede someterse a tratamientos de nitruración. Además, ciertas aleaciones de aluminio son susceptibles al endurecimiento por inducción, lo que mejora sus propiedades superficiales para aplicaciones específicas.
• TitaniumEl titanio y sus aleaciones pueden endurecerse superficialmente mediante nitruración, que introduce nitrógeno en la capa superficial. El endurecimiento por inducción y el endurecimiento por láser también son métodos aplicables para las aleaciones de titanio, según los requisitos específicos.
• VanadioEl vanadio, frecuentemente utilizado como elemento de aleación en aceros, puede endurecerse superficialmente mediante procesos de nitruración. La nitruración de aceros que contienen vanadio produce precipitados duros de nitruro de vanadio, lo que contribuye a una mayor dureza superficial y resistencia al desgaste.