¿Qué es el endurecimiento de superficies? Endurecimiento de la carcasa – Definición

Endurecimiento de metales

En la ciencia de los materiales, la dureza es la capacidad de resistir la hendidura de la superficie ( deformación plástica localizada ) y el rayado . La dureza es probablemente la propiedad del material menos definida porque puede indicar resistencia al rayado, resistencia a la abrasión, resistencia a la indentación o incluso resistencia a la deformación o deformación plástica localizada. La dureza es importante desde el punto de vista de la ingeniería porque la resistencia al desgaste por fricción o erosión por vapor, aceite y agua generalmente aumenta con la dureza.

El endurecimiento es un proceso de trabajo metalúrgico utilizado para aumentar la dureza de un metal. La dureza de un metal es directamente proporcional al límite elástico uniaxial en el lugar de la deformación impuesta. Para mejorar la dureza de un metal puro, podemos utilizar diferentes formas, que incluyen:

• Método Hall-Petch
• Endurecimiento en solución sólida (aleación)
• Endurecimiento del trabajo (trabajo en frío)
• Endurecimiento por precipitación
• Endurecimiento de la transformación
• Endurecimiento por dispersión
• Endurecimiento de la superficie

Endurecimiento de la superficie – Endurecimiento de la caja

El endurecimiento de la superficie o endurecimiento de la superficie es el proceso en el que se mejora la dureza de la superficie (carcasa) de un objeto, mientras que el núcleo interno del objeto permanece elástico y resistente. Después de este proceso , se mejoran la dureza de la superficie , la resistencia al desgaste y la vida útil a la fatiga . Esto se logra mediante varios procesos, como un proceso de carburación o nitruración mediante el cual un componente se expone a una atmósfera carbonosa o nitrogenada a temperatura elevada. Como se escribió, se influyen dos características principales del material:

• La dureza y la resistencia al desgaste se mejoran significativamente . En la ciencia de los materiales, la dureza es la capacidad de resistir la hendidura de la superficie ( deformación plástica localizada ) y el rayado . La dureza es probablemente la propiedad del material menos definida porque puede indicar resistencia al rayado, resistencia a la abrasión, resistencia a la indentación o incluso resistencia a la deformación o deformación plástica localizada. La dureza es importante desde el punto de vista de la ingeniería porque la resistencia al desgaste por fricción o erosión por vapor, aceite y agua generalmente aumenta con la dureza.
• La tenacidad no se ve afectada negativamente . La tenacidad es la capacidad de un material para absorber energía y deformarse plásticamente sin fracturarse. Una definición de tenacidad (para alta tasa de deformación, tenacidad a la fractura ) es que es una propiedad que indica la resistencia de un material a la fractura cuando hay una grieta (u otro defecto que concentra la tensión).

Para el hierro o acero con bajo contenido de carbono, que tiene una templabilidad deficiente o nula, el proceso de cementación implica la infusión de carbono o nitrógeno adicional en la capa superficial. El endurecimiento de la caja es útil en piezas como una leva o una corona dentada que deben tener una superficie muy dura para resistir el desgaste, junto con un interior resistente para resistir el impacto que se produce durante la operación. Además, el endurecimiento de la superficie del acero tiene una ventaja sobre el endurecimiento mediante el endurecimiento (es decir, el endurecimiento del metal uniformemente en toda la pieza) porque los aceros de bajo y medio carbono menos costosos pueden endurecerse en la superficie sin los problemas de distorsión y agrietamiento asociados con el mediante el endurecimiento de secciones gruesas. Una capa superficial exterior rica en carbono o nitrógeno (o caja) se introduce por difusión atómica desde la fase gaseosa. La caja tiene normalmente del orden de 1 mm de profundidad y es más dura que el núcleo interno de material.

Clasificación de los métodos de endurecimiento de la caja

La cementación por tratamiento de superficie se puede clasificar además como tratamientos de difusión o tratamientos de calentamiento localizado. Los métodos de difusión introducen elementos de aleación que ingresan a la superficie por difusión, ya sea como agentes de solución sólida o como agentes de endurecimiento que ayudan a la formación de martensita durante el enfriamiento posterior. En este proceso, la concentración de elemento de aleación aumenta en la superficie de un componente de acero. Los métodos de difusión incluyen:

• Carburación . La carburación es un proceso de endurecimiento de la caja en el que la concentración de carbono en la superficie de una aleación ferrosa (generalmente un acero con bajo contenido de carbono) aumenta por difusión del entorno circundante. La carburación produce una superficie de producto dura y altamente resistente al desgaste (profundidad de caja media) con una excelente capacidad de carga de contacto, buena resistencia a la fatiga por flexión y buena resistencia al agarrotamiento.
• Nitruración . La nitruración es un proceso de cementación en el que la concentración de nitrógeno en la superficie de un ferroso aumenta por difusión del entorno circundante para crear una superficie cementada. La nitruración produce una superficie de producto dura y altamente resistente al desgaste (profundidades de caja poco profundas) con una buena capacidad de carga de contacto, buena resistencia a la fatiga por flexión y excelente resistencia al agarrotamiento.
• Aburrido . El borrado, también llamado boronizado, es un proceso de difusión termoquímica similar a la nitrocarburación en el que los átomos de boro se difunden en el sustrato para producir capas superficiales duras y resistentes al desgaste. El proceso requiere una alta temperatura de tratamiento (1073-1323 K) y una larga duración (1-12 h), y se puede aplicar a una amplia gama de materiales como aceros, fundición, cermet y aleaciones no ferrosas.
• Endurecimiento de titanio-carbono y nitruro de titanio . El nitruro de titanio (un material cerámico extremadamente duro) o los recubrimientos de carburo de titanio se pueden utilizar en las herramientas fabricadas con este tipo de aceros mediante un proceso de deposición física de vapor para mejorar el rendimiento y la vida útil de la herramienta. TiN tiene una dureza Vickers de 1800-2100 y tiene un color dorado metálico.

Los métodos de calentamiento localizados para el endurecimiento de la carcasa incluyen:

• Endurecimiento por llama . El endurecimiento por llama es una técnica de endurecimiento de la superficie que utiliza un solo soplete con un cabezal especialmente diseñado para proporcionar un medio muy rápido de calentar el metal, que luego se enfría rápidamente, generalmente con agua. Esto crea una «caja» de martensita en la superficie, mientras que el núcleo interno del objeto permanece elástico y resistente. Es una técnica similar al endurecimiento por inducción. Se necesita un contenido de carbono de 0,3 a 0,6% en peso de C para este tipo de endurecimiento.
• Endurecimiento por inducción . El endurecimiento por inducción es una técnica de endurecimiento de la superficie que utiliza bobinas de inducción para proporcionar un medio muy rápido de calentar el metal, que luego se enfría rápidamente, generalmente con agua. Esto crea una «caja» de martensita en la superficie. Se necesita un contenido de carbono de 0,3 a 0,6% en peso de C para este tipo de endurecimiento.
• Endurecimiento por láser . El endurecimiento por láser es una técnica de endurecimiento de la superficie que utiliza un rayo láser para proporcionar un medio muy rápido de calentar el metal, que luego se enfría rápidamente (generalmente por autoenfriamiento). Esto crea una «caja» de martensita en la superficie, mientras que el núcleo interno del objeto permanece elástico y resistente.

Carburación: ventajas y aplicación

La carburación es un proceso de endurecimiento de la caja en el que la concentración de carbono en la superficie de una aleación ferrosa (generalmente un acero con bajo contenido de carbono) aumenta por difusión del entorno circundante. La carburación produce una superficie de producto dura y altamente resistente al desgaste (profundidad de caja media) con una excelente capacidad de carga de contacto, buena resistencia a la fatiga por flexión y buena resistencia al agarre. La carburación se usa generalmente para aceros con bajo contenido de carbono , que se calientan a una temperatura suficiente para hacer que el acero sea austenítico, seguido de temple y revenido para formar una microestructura martensítica.. De modo que una caja martensítica con alto contenido de carbono con buena resistencia al desgaste y la fatiga se superpone a un núcleo de acero resistente con bajo contenido de carbono. En su primera aplicación, las piezas simplemente se colocaron en un recipiente adecuado y se cubrieron con una capa gruesa de polvo de carbón (carburización del paquete). Hoy en día, la pieza de acero está expuesta, a una temperatura elevada (generalmente por encima de 850°C), a una atmósfera rica en un gas hidrocarburo, como el metano (CH4). En la carburación con gas, la variante comercialmente más importante de carburación, la fuente de carbono es una atmósfera de horno rica en carbono producida a partir de hidrocarburos gaseosos, por ejemplo, metano (CH₄), propano (C₃H₃) y butano (C₄H₁₀), o de líquidos de hidrocarburos vaporizados. El calor mejora la difusión del carbono en la superficie del acero y en las regiones del subsuelo. La profundidad de difusión (profundidad de la caja) sigue una dependencia tiempo-temperatura tal que:

Profundidad de la caja ∝ D. √ Hora

 donde el factor de difusividad, D , depende de la temperatura, la composición química del acero y el gradiente de concentración de carbono en la superficie. En términos de temperatura, el factor de difusividad aumenta exponencialmente en función de la temperatura absoluta. Esta tasa de difusión aumenta mucho al aumentar la temperatura; la tasa de adición de carbono a 925°C es aproximadamente un 40% mayor que a 870°C. La profundidad de cualquier caja carburizada es función del tiempo y la temperatura.

Nitruración

La nitruración es un proceso de cementación en el que la concentración de nitrógeno en la superficie de un ferroso aumenta por difusión del entorno circundante para crear una superficie cementada. La nitruración produce una superficie de producto dura y altamente resistente al desgaste (profundidades de caja poco profundas) con una buena capacidad de carga de contacto, buena resistencia a la fatiga por flexión y excelente resistencia al agarrotamiento. A diferencia de la carburación, en la nitruración se añade nitrógeno a la ferrita en lugar de la austenita. Por lo tanto, la nitruración no implica el calentamiento en el campo de la fase austenita y un enfriamiento posterior para formar martensita. La temperatura es significativamente más baja y normalmente se usa un rango de 500 a 550°C. Estos procesos se utilizan con mayor frecuencia en aceros de baja aleación y bajo contenido de carbono.. También se utilizan en aceros con contenido de carbono medio y alto, titanio, aluminio y molibdeno. El endurecimiento más significativo se logra con una clase de aceros aleados (tipo aleación de nitrilo) que contienen aproximadamente un 1% de Al. Las aplicaciones típicas incluyen la producción de componentes de máquinas, ejes, ejes, engranajes, cigüeñales, árboles de levas, seguidores de levas, piezas de válvulas, tornillos de extrusión, herramientas de fundición a presión o matrices de forja.

Carbonitruración

Carbonitruraciónes un tratamiento térmico de cementación que introduce carbono y nitrógeno en la austenita del acero realizado de 1073 K a 1173 K. Este tratamiento es similar a la carburación en que se cambia la composición de la austenita y se produce una alta dureza superficial mediante enfriamiento para formar martensita. La carbonitruración se aplica a menudo al acero bajo en carbono, económico y fácil de mecanizar para impartir las propiedades superficiales de los grados de acero más costosos y difíciles de trabajar sin necesidad de un temple drástico, lo que resulta en menos distorsión y reduce el peligro de agrietamiento del trabajo. La dureza superficial de las piezas carbonitruradas varía de 55 a 62 HRC. La carbonitruración (alrededor de 850°C / 1550°F) se lleva a cabo a temperaturas sustancialmente más altas que la nitruración simple (alrededor de 530°C / 990°F) pero ligeramente más bajas que las utilizadas para la carburación (alrededor de 950°C / 1700°F) y por tiempos más cortos. A menudo se realiza en piezas de transmisión de potencia, como dientes de engranajes, levas, ejes, cojinetes, que están sometidos a condiciones de funcionamiento de fatiga estructural y superficial.

Aburrido

El borrado , también llamado boronizado, es un proceso de difusión termoquímica similar a la nitrocarburación en el que los átomos de boro se difunden en el sustrato para producir capas superficiales duras y resistentes al desgaste. El proceso requiere una alta temperatura de tratamiento (1073-1323 K) y una larga duración (1-12 h), y se puede aplicar a una amplia gama de materiales como aceros, fundición, cermet y aleaciones no ferrosas. La superficie resultante contiene boruros metálicos, como boruros de hierro, boruros de níquel y boruros de cobalto. Como materiales puros, estos boruros tienen una dureza y una resistencia al desgaste extremadamente altas.

Sus propiedades favorables se manifiestan incluso cuando son una pequeña fracción del sólido a granel. Las propiedades de las capas de boruro suelen ser superiores a las formadas por nitruración y carburación, particularmente en términos de su dureza. La mayoría de las superficies de acero borrado tendrán durezas de capa de boruro de hierro que van desde 1200-1600 HV . Superaleaciones a base de níquelcomo Inconel y Hastalloys normalmente tendrán una dureza de capa de boruro de níquel de 1700-2300 HV. La dureza de la capa de boruro se puede retener a temperaturas más altas que, por ejemplo, la de los estuches nitrurados. Por otro lado, tanto la carburación con gas como la nitruración por plasma tienen la ventaja sobre la boronización porque esos dos procesos ofrecen costes de funcionamiento y mantenimiento reducidos, requieren tiempos de procesamiento más cortos y son relativamente fáciles de operar. El borrado se utiliza normalmente para muchas aplicaciones de alto rendimiento, como la automoción, máquinas herramienta, aeroespacial, herramientas hidráulicas, industrias agrícolas y de defensa, etc.

Recubrimientos de nitruro de titanio y carburo de titanio

El nitruro de titanio (un material cerámico extremadamente duro) o los recubrimientos de carburo de titanio se pueden utilizar en las herramientas fabricadas con este tipo de aceros mediante un proceso de deposición física de vapor para mejorar el rendimiento y la vida útil de la herramienta.

TiN tiene una dureza Vickers de 1800-2100 y tiene un color dorado metálico. Un uso bien conocido del recubrimiento de TiN es la retención de bordes y la resistencia a la corrosión en máquinas herramienta, como brocas y fresas, que a menudo mejoran su vida útil en un factor de tres o más.

El TiC es un material cerámico refractario extremadamente duro (Mohs 9–9,5), similar al carburo de tungsteno. También se utiliza como revestimiento de superficie resistente a la abrasión en piezas metálicas, como brocas de herramientas y mecanismos de relojes. El carburo de titanio también se utiliza como revestimiento de protección térmica para la reentrada atmosférica de naves espaciales.

Por ejemplo, acero de molibdeno de alta velocidad : AISI M2 es el HSS industrial «estándar» y más utilizado. Este tipo de acero se puede recubrir con nitruro de titanio. Los aceros de molibdeno de alta velocidad están designados como aceros del Grupo M según el sistema de clasificación AISI. M2 HSS tiene carburos pequeños y distribuidos uniformemente que le dan una alta resistencia al desgaste, aunque su sensibilidad a la descarburación es un poco alta. Por lo general, se usa para fabricar una variedad de herramientas, como brocas, machos de roscar y escariadores. El contenido de carbono y aleación está equilibrado a niveles suficientes para proporcionar una alta respuesta de endurecimiento alcanzable, excelente resistencia al desgaste, alta resistencia a los efectos de ablandamiento de la temperatura elevada y buena tenacidad para un uso eficaz en aplicaciones de corte industrial.

Endurecimiento por induccion

El endurecimiento por inducción es una técnica de endurecimiento de la superficie que utiliza bobinas de inducción para proporcionar un medio muy rápido de calentar el metal, que luego se enfría rápidamente, generalmente con agua. Esto crea una «caja» de martensita en la superficie. Se necesita un contenido de carbono de 0,3 a 0,6% en peso de C para este tipo de endurecimiento. La martensita es una estructura metaestable muy dura con una estructura cristalina tetragonal centrada en el cuerpo (BCT). La martensita se forma en aceros cuando la velocidad de enfriamiento de la austenita es tan alta que los átomos de carbono no tienen tiempo para difundirse fuera de la estructura cristalina en cantidades suficientemente grandes para formar cementita (Fe₃C). El endurecimiento por inducción produce una superficie dura y altamente resistente al desgaste (profundidades de caja profundas) con buena capacidad de carga de contacto y buena resistencia a la fatiga por flexión. El material tiene una buena resistencia a la incautación.

El calentamiento se logra colocando una pieza de acero en el campo magnético generado por la corriente alterna de alta frecuencia que pasa a través de un inductor, generalmente una bobina de cobre refrigerada por agua. Estas llamadas corrientes parásitas disipan energía y producen calor al fluir contra la resistencia de un conductor imperfecto. Con el calentamiento por inducción, el acero se puede calentar muy rápidamente hasta que esté al rojo vivo en la superficie, antes de que el calor pueda penetrar cualquier distancia en el metal. Luego, la superficie se enfría, endureciéndolo, y se utiliza a menudo sin más templado. Esto hace que la superficie sea muy resistente al desgaste, y el núcleo del componente no se ve afectado por el tratamiento y sus propiedades físicas son las de la barra a partir de la cual se mecanizó, mientras que la dureza de la caja puede estar dentro del rango de 37/58 HRC. Los aceros de medio carbono de baja aleación endurecidos en la superficie por inducción se utilizan ampliamente para aplicaciones críticas de automoción y máquinas que requieren una alta resistencia al desgaste. Un uso común del endurecimiento por inducción es el endurecimiento de las superficies de los cojinetes, o «muñones», en los cigüeñales de los automóviles o las varillas de los cilindros hidráulicos. El comportamiento de resistencia al desgaste de las piezas endurecidas por inducción depende de la profundidad de endurecimiento y de la magnitud y distribución de la tensión de compresión residual en la capa superficial.

Endurecimiento de llama

El endurecimiento por llama es una técnica de endurecimiento de la superficie que utiliza un solo soplete con un cabezal especialmente diseñado para proporcionar un medio muy rápido de calentar el metal, que luego se enfría rápidamente, generalmente con agua. Esto crea una «caja» de martensita  en la superficie, mientras que el núcleo interno del objeto permanece elástico y resistente. Es una técnica similar al endurecimiento por inducción. Se necesita un contenido de carbono de 0,3 a 0,6% en peso de C para este tipo de endurecimiento.

La martensita es una estructura metaestable muy dura con una estructura cristalina tetragonal centrada en el cuerpo (BCT). La martensita se forma en los aceros cuando la velocidad de enfriamiento de la austenita es tan alta que los átomos de carbono no tienen tiempo para difundirse fuera de la estructura cristalina en cantidades suficientemente grandes para formar cementita (Fe3C). El endurecimiento por llama produce una superficie dura y altamente resistente al desgaste (profundidades de caja profundas) con buena capacidad de carga de contacto y buena resistencia a la fatiga por flexión. Se puede utilizar para el endurecimiento de aceros de bajo costo y se requiere una baja inversión de capital.

Un uso común del endurecimiento por inducción es el endurecimiento de piezas grandes, como engranajes y vías de máquinas herramienta, con tamaños o formas que harían poco práctico el tratamiento térmico en horno. Por lo general, el engranaje se templará y templará primero a una dureza específica, lo que hará que la mayoría del engranaje sea resistente, y luego los dientes se calientan rápidamente y se templan inmediatamente, endureciendo solo la superficie. El comportamiento de resistencia al desgaste de las piezas endurecidas por inducción depende de la profundidad de endurecimiento y de la magnitud y distribución de la tensión de compresión residual en la capa superficial.

Endurecimiento por láser

El endurecimiento por láser es una técnica de endurecimiento de la superficie que utiliza un rayo láser para proporcionar un medio muy rápido de calentar el metal, que luego se enfría rápidamente (generalmente por autoenfriamiento). Esto crea una «caja» de martensita en la superficie, mientras que el núcleo interno del objeto permanece elástico y resistente. El calor generado por la absorción de la luz láser se controla para evitar la fusión y, por lo tanto, se utiliza en la austenitización selectiva de las regiones de la superficie local. El fenómeno de auto-extinción se aplica después de retirar la fuente de calor de la zona de interacción. La energía térmica absorbida por la capa superficial se distribuye rápidamente a toda la pieza de trabajo.

La martensita es una estructura metaestable muy dura con una estructura cristalina tetragonal centrada en el cuerpo (BCT). La martensita se forma en los aceros cuando la velocidad de enfriamiento de la austenita es tan alta que los átomos de carbono no tienen tiempo para difundirse fuera de la estructura cristalina en cantidades suficientemente grandes para formar cementita (Fe3C). El endurecimiento por láser produce una superficie dura y altamente resistente al desgaste (profundidades de caja poco profundas). Las zonas superficiales delgadas que se calientan y enfrían muy rápidamente dan como resultado microestructuras martensíticas muy finas, incluso en aceros con una templabilidad relativamente baja. El endurecimiento por láser se usa ampliamente para endurecer áreas localizadas de componentes de máquinas de acero y hierro fundido. Las principales ventajas son: posibilidad de tratamiento térmico superficial selectivo de piezas complejas, deformaciones mínimas de las piezas procesadas, el proceso es rápido, limpio y controlado por ordenador.

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