Tratamiento térmico y químico de metales
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Las estructuras de ingeniería modernas requieren materiales con alta resistencia superficial, alta resistencia a la abrasión, a la fatiga y a los agentes químicos, al tiempo que mantienen la ductilidad y tenacidad del núcleo. Esta combinación ideal de propiedades se puede lograr mediante tratamiento térmico y químico.
El tratamiento térmico y químico es un conjunto de procesos tecnológicos que implican la saturación de la capa superficial de los elementos metálicos con elementos químicos activos (como carbono, nitrógeno, boro, cromo) mientras se aplica calor simultáneamente. Como resultado de estos tratamientos, se producen cambios estructurales y químicos en la capa superficial del metal que alteran radicalmente sus propiedades.
El resultado de un tratamiento térmico y químico bien realizado es una capa superficial dura y resistente al desgaste que mantiene un núcleo dúctil y maleable, lo que aumenta significativamente la durabilidad de las piezas de maquinaria y de las herramientas.
Dependiendo del elemento y del proceso que se utilice, existen diferentes tipos de tratamiento termoquímico. Los más comunes son la carburización, la nitruración y la carbonitruración (también conocida como cianuración), así como métodos más especializados como el cromado, el aluminio y el boro.
En las siguientes secciones de este artículo, examinaremos con mayor detalle los mecanismos de estos procesos, sus aplicaciones prácticas y su influencia en la microestructura y las propiedades de la capa superficial de los metales.
Mecanismo de acción: difusión de elementos
La base de todos los procesos de tratamiento térmico y químico es el fenómeno de la difusión. Es decir, el movimiento espontáneo de átomos de una zona de mayor concentración a otra de menor concentración. En este caso, se trata de la difusión de un elemento químico activo (por ejemplo, carbono o nitrógeno) en el metal, hierro por norma general. El proceso de saturación de la superficie del metal consta de tres etapas:
- Adsorción de átomos activos: los átomos del elemento saturador se depositan en la superficie del metal, con lo que forman la denominada capa de transición.
- Difusión superficial: los átomos se mueven por la superficie en busca de lugares adecuados para «entrar» en la estructura cristalina.
- Difusión interna (volumétrica): a una temperatura lo suficientemente alta, los átomos se difunden en el metal y se depositan en los espacios libres de la red cristalina (por lo general, entre los nodos, en los denominados huecos de la red).
La temperatura desempeña un papel crucial en este proceso: cuanto más alta es, más rápida es la difusión y mayor es la profundidad de saturación de la capa, pero también mayor es el riesgo de crecimiento de los granos y de cambios en el núcleo del material.
Dependiendo del tipo de elemento, los átomos difusores interactúan con los átomos de hierro para formar diversas soluciones sólidas o compuestos químicos (por ejemplo, nitruros, carburos o boruros). Su presencia es la responsable del aumento de la dureza de la capa superficial, el aumento de la resistencia a la abrasión y a la fatiga y la mejora de la resistencia a la corrosión y al calor.
El proceso de difusión se produce según el gradiente de concentración, lo que significa que la concentración del elemento saturante disminuye a medida que aumenta la profundidad. Esto da lugar a una estructura característicamente estratificada: una zona saturada (superficie) muy dura, una zona de transición con propiedades que cambian gradualmente y un núcleo que conserva las propiedades originales del metal.
Este cambio estructural y químico gradual es, precisamente, lo que confiere al tratamiento térmico una ventaja sobre otras tecnologías superficiales, como el recubrimiento o la pulverización.
Carburización
La carburización es un proceso de tratamiento térmico en el que la superficie de un componente de acero se satura con carbono para aumentar su dureza, resistencia al desgaste y resistencia a la fatiga. Se utiliza, especialmente, para aceros con bajo contenido en carbono, que no son aptos para el endurecimiento por sí solos. Sin embargo, tras la carburización, adquieren una superficie dura al tiempo que conservan la ductilidad del núcleo.
Principio de funcionamiento
El proceso de carburación consiste en calentar el acero hasta la temperatura de austenización (aproximadamente 880-950 °C) y mantenerlo en una atmósfera que contenga carbono activo durante un tiempo determinado (de varias a varias docenas de horas), dependiendo de la profundidad de la capa requerida.
Durante este tiempo, los átomos de carbono se adsorben en la superficie, luego se difunden en el acero y ocupan los espacios intersticiales de la red cristalina de la austenita. Tras la saturación, los componentes se endurecen y se templan, lo que permite obtener una alta dureza de la capa (a menudo superior a 60 HRC) y mantener un núcleo dúctil.
Tipos de cementación
Cementación en polvo
- Tradicionalmente se utiliza en un lecho de carbón vegetal y activadores (por ejemplo, BaCO₃).
- No es muy preciso, difícil de controlar.
- Actualmente se utiliza menos, principalmente, en la producción de pequeñas series de herramientas y piezas antiguas.
Carburización con gas
- El más utilizado en la industria.
- Se lleva a cabo en una atmósfera de gases de carburización (por ejemplo, CO o CH₄) en hornos estancos al gas.
- Permite lograr un control preciso de la temperatura, el tiempo y la composición de la atmósfera.
- Permite obtener una capa carburizada uniforme con una profundidad de hasta varios milímetros.
Carburización al vacío (baja presión)
- Método moderno que utiliza la alimentación cíclica de gas carbonizante en condiciones de vacío.
- Permite obtener una alta pureza de la capa, sin oxidación ni deformación.
- Especialmente recomendado para piezas mecánicas de precisión (por ejemplo, engranajes, cojinetes, etc.).
Estructura y propiedades de la capa carburizada
Después del endurecimiento, se forma una estructura de martensita saturada de carbono en la capa superficial que se transforma en bainita, ferrita o perlita a medida que el material penetra más profundamente. La capa carburizada alcanza una dureza superior a 62 HRC y se caracteriza por tener una alta resistencia a la abrasión y a la fatiga por contacto, pero tiene una baja resistencia a las altas temperaturas y a la corrosión (lo que limita sus aplicaciones).
Nitruración
La nitruración es un proceso que satura la superficie de un metal con nitrógeno, lo que aumenta la dureza, la resistencia al desgaste, la resistencia a la corrosión y la resistencia a la fatiga sin necesidad de endurecimiento. A diferencia de la carburación, la nitruración se lleva a cabo, normalmente, a temperaturas más bajas (por lo general, 500-580 °C), lo que minimiza el riesgo de deformación, mantiene la precisión dimensional de la pieza y preserva la estructura del núcleo.
Durante la nitruración, los átomos de nitrógeno se adsorben en la superficie del acero, se difunden en la estructura cristalina y forman enlaces con átomos de metales de aleación (como Al, Cr, Mo, V, etc.), lo que da lugar a la formación de nitruros intermetálicos (por ejemplo, AlN, CrN o VN). Estos compuestos son los responsables de la alta dureza y resistencia de la superficie.
Tipos de nitruración
Nitruración con gas
- Se lleva a cabo en una atmósfera de amoníaco (NH₃) que se descompone en nitrógeno activo e hidrógeno.
- Popular, económica y reconocida.
- Tiempo de proceso: de 10 a 100 horas.
- Espesor de la capa hasta 0,5 mm, dureza hasta 1100 HV.
Nitruración iónica (plasma)
- Se lleva a cabo en condiciones de baja presión utilizando un campo eléctrico.
- La superficie metálica actúa como cátodo y las moléculas de nitrógeno se ven atraídas e «impulsadas» hacia el material.
- Permite obtener un control preciso de la profundidad y el perfil de la capa.
- El proceso es limpio, rápido, energéticamente eficiente e ideal para piezas de precisión.
Nitruración en baño de sal
- Menos utilizada, consiste en sumergir las piezas en una solución de cianuros y nitratos.
- Las condiciones son más difíciles de controlar, pero la capa puede ser más resistente a la corrosión.
La eficacia de la nitruración depende del contenido de elementos formadores de nitrógeno (por ejemplo, Al, Cr, Mo o V), así como de la microestructura y el tratamiento térmico previo. El acero debe ser tratado térmicamente de antemano y la superficie debe estar completamente limpia (sin incrustaciones, grasa ni óxido).
Una capa típica consta de dos zonas: una capa adherida, muy dura, delgada (10-20 μm) y compuesta principalmente por nitruros, y una capa de soporte de difusión, más gruesa (hasta 0,5 mm) y responsable de la transferencia de carga.
Entre sus características, se incluyen una dureza de 900-1200 HV, una excelente resistencia a la abrasión y a la fatiga, una alta resistencia a la corrosión, especialmente cuando se utilizan aceros inoxidables, y la ausencia de necesidad de endurecimiento tras el proceso, lo que reduce la deformación y los costes.
Carbonitruración (cianuración)
La carbonitruración, también conocida como cianuración, es un proceso de tratamiento termoquímico en el que la superficie del metal se satura simultáneamente con carbono y nitrógeno. El tratamiento tiene como objetivo conseguir una capa superficial dura y fina que ofrezca una alta resistencia al desgaste, la abrasión y la fatiga, además de que cuenta con un tiempo de tratamiento más corto en comparación con la cementación clásica.
En comparación con la cementación, la temperatura del proceso es más baja, normalmente, de entre 700 y 900 °C, el tiempo de saturación es más corto y la capa resultante es más fina pero más dura debido a la presencia de nitruros.
La carbonitruración consiste en calentar el acero a la temperatura adecuada y mantenerlo en un entorno que contenga tanto carbono como nitrógeno, por ejemplo, en forma de gases (CH₄ + NH₃) o baños de sal (cianatos o cianuros).
Durante este proceso, los átomos de carbono y nitrógeno se adsorben en la superficie y luego se difunden en el material, con lo que forman una capa de difusión mixta que contiene carburos y nitruros de hierro y elementos de aleación.
Tras la carbonitruración, la dureza alcanza valores de 850-1000 HV, y la capa presenta una alta resistencia a la abrasión y una buena resistencia a la oxidación y la corrosión (mejor que tras la cementación sola). La capa tiene, normalmente, un espesor de 0,2-0,5 mm y la deformación es muy escasa; a menudo no se requiere ningún tratamiento térmico adicional. Gracias a estas propiedades, la carbonitruración se utiliza, entre otras cosas, para engranajes, ejes, casquillos, tornillos y componentes que requieren una alta resistencia superficial y precisión dimensional.
Tipos de carbonitruración
Carbonitruración con gas
- Se lleva a cabo en una atmósfera de una mezcla de gases saturantes (por ejemplo, amoníaco y gases hidrocarburos).
- Es el más utilizado en la industria.
- Permite controlar los parámetros del proceso y obtener una capa dura con un espesor de 0,1-0,5 mm.
Carbonitruración en baño (cianuración)
- Se realiza en soluciones de sales de cianuro (NaCN, KCN, etc.).
- Proceso muy rápido, pero perjudicial para el medio ambiente (toxicidad del cianuro).
- Actualmente se utiliza cada vez menos y a menudo se sustituye por la cianuración no tóxica (por ejemplo, utilizando cianatos).
Carbonitruración iónica
- Un método moderno que se realiza en condiciones de vacío.
- Permite dar una forma precisa a la capa de difusión.
- Se utiliza en la producción de piezas con geometrías complejas y requisitos de precisión.
Otros tipos de impregnación por difusión
Además de la carburación, la nitruración y la carbonitruración, existen otros procesos de tratamiento termoquímico que consisten en impregnar la superficie del metal con diversos elementos para obtener propiedades especiales, como resistencia a altas temperaturas, a la corrosión, a la erosión o a la oxidación.
Cada uno de estos procesos permite adaptar la capa superficial a condiciones de funcionamiento muy específicas en las que los métodos estándar (como el endurecimiento) resultan insuficientes. Su uso suele aumentar la vida útil y la fiabilidad de los componentes clave de los equipos que funcionan en entornos extremos. A continuación, se presentan los más importantes:
Cromado por difusión
Consiste en saturar la superficie metálica con cromo a altas temperaturas (900-1100 °C). Se lleva a cabo en una atmósfera gaseosa (por ejemplo, cloruros de cromo) o en baños de polvo.
El cromado por difusión crea una capa de cromo de hierro que se caracteriza por:
- Tener muy buena resistencia a la corrosión y a la oxidación
- Su dureza y resistencia a la abrasión
- su resistencia a los gases y a los productos químicos agresivos
Se utiliza en la industria química, petroquímica y energética (por ejemplo, tubos de calderas, válvulas, componentes de reactores y más).
Aluminizado (aluminización)
Se trata del proceso de saturación de una superficie con aluminio, normalmente, a una temperatura de 800-1050 °C. Da lugar a la formación de compuestos intermetálicos FeAl o Fe₃Al. Sus principales ventajas son:
- La alta resistencia a la oxidación a altas temperaturas
- La protección contra la erosión por gases y escorias metalúrgicas
- Una mejor resistencia a la corrosión bajo la influencia del azufre y los cloruros
Se utiliza en turbinas, intercambiadores de calor, calderas y motores a reacción.
Boruración
La boruración es un tratamiento superficial que consiste en la difusión de boro en la estructura del metal. La boruración da lugar a la formación de boruros duros, como FeB, Fe₂B que cuentan con una dureza de capa de hasta 1800-2000 HV. La boruración se caracteriza por:
- Una excelente resistencia a la abrasión
- Su resistencia a los ácidos, álcalis y salmueras
- Su fragilidad, lo que limita su uso en componentes dinámicos
Se utiliza para herramientas de corte, moldes, matrices y elementos de fricción.
Saturación con silicio
El siliconado consiste en saturar la superficie con silicio a una temperatura aproximada de 1000 °C. Esto da lugar a la formación de siliciuros de hierro, que proporcionan resistencia a la oxidación y a la corrosión a altas temperaturas, así como una mayor dureza y resistencia a la fatiga. Se utiliza en metalurgia, en componentes expuestos a altas temperaturas y al contacto con desechos.
Tratamiento térmico y químico de metales: resumen
El tratamiento térmico y químico es una de las herramientas más importantes en la ingeniería de materiales, ya que permite modificar de forma selectiva las propiedades de la superficie de los metales sin afectar a su estructura interna. Gracias a procesos como la carburización , la nitruración, la carbonitruración y el cromado, es posible conseguir una combinación de alta dureza superficial, ductilidad y resistencia del núcleo.
Estos tratamientos aumentan la resistencia al desgaste, la corrosión, la fatiga y las altas temperaturas, lo que se traduce directamente en una mayor vida útil de los componentes de máquinas y equipos. La selección adecuada del tipo de proceso, los parámetros térmicos y el material de partida permite a los ingenieros optimizar los diseños para sus condiciones de funcionamiento reales.
La industria moderna no puede funcionar sin métodos precisos de modificación de superficies, por lo que el tratamiento termoquímico sigue siendo no solo una cuestión científica importante, sino, sobre todo, una herramienta práctica para construir la durabilidad, la fiabilidad y la seguridad de las estructuras técnicas.
