Tratamientos superficiales en aceros: nitruración, carbonitruración, nitrocarburación, temple y galvanizado

Resumen

El documento describe los principales tratamientos superficiales de los aceros: nitruración, carbonitruración y nitrocarburación, el temple superficial y el galvanizado frente al zincado. Explica en cada caso la temperatura, el espesor de capa, las propiedades que aportan y sus limitaciones. Sirve para comparar métodos de endurecimiento y de protección frente a la corrosión.

Puntos clave

La nitruración enriquece la superficie del acero con nitrógeno, a 490-580 °C, y se beneficia de aleantes como Al, Cr, Mo, V y Ti.
La capa nitrurada es frágil y puede requerir un rectificado post-nitrurado para eliminar la capa de combinación.
La carbonitruración añade NH3 a la atmósfera carburante, permite aceros menos aleados y con hasta 0,5% de C.
La nitrocarburación aporta N y C con el acero en estado ferrítico, a 495-565 °C, con tiempos de 1 a 3 horas y sin necesidad de templar.
El temple superficial endurece por transformación martensítica, con espesores típicos de 1 a 5 mm, por inducción, llama, láser o haz de electrones.
El galvanizado por inmersión en caliente (440-460 °C) da capas de 50-200 µm, frente a 5-50 µm del zincado electrolítico.
El zinc protege como barrera y como protector catódico; el bicromatado reduce las manchas blancas de hidróxido de zinc.

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Tratamientos Superficiales en Aceros

Nitruración

La nitruración es un proceso de endurecimiento superficial que se basa en el enriquecimiento de nitrógeno en la superficie del acero. Se puede aplicar a cualquier tipo de acero, pero los mejores resultados se obtienen en aceros aleados con elementos formadores de nitruros, como Al, Cr, Mo, V y Ti.

Temperatura de tratamiento: 490-580 °C
El tiempo y el espesor de la capa dependen del proceso utilizado (gaseosa, sales, plasma).
El espesor de la capa también depende del tipo de acero. En general, cuanto más aleado es un acero, menor es el espesor de la capa.
Capa total: Capa de combinación (frágil, 0.001-0.03 mm) + Capa de difusión
En ocasiones, se realiza un rectificado post-nitrurado para eliminar la capa de combinación.

Propiedades:

Elevada resistencia al desgaste abrasivo y adhesivo.
Aumento importante de la resistencia a la fatiga (debido al aumento de volumen en la capa nitrurada).
Aumento de la resistencia a la corrosión (excepto en aceros inoxidables).
Se aplica sobre piezas templadas y revenidas, lo que reduce la distorsión en comparación con la cementación.
Buena resistencia al ablandamiento en caliente (siempre que la temperatura de trabajo esté por debajo de la temperatura de nitruración).
La capa es frágil, por lo que puede agrietarse y descascarillarse, especialmente en aplicaciones con solicitaciones de impacto.

Carbonitruración y Nitrocarburación

Carbonitruración

Se basa en la adición de NH₃ a la atmósfera carburante para formar carbonitruros.
Permite el uso de aceros menos aleados y con un mayor contenido de C (hasta 0.5%) en comparación con la cementación.
Al igual que en la cementación, el aporte de C y N se realiza con el acero en estado austenítico.
En comparación con la cementación, la carbonitruración permite el empleo de aceros más económicos (menos aleados) y proporciona capas más duras (por la formación de carbonitruros) y más resistentes a la corrosión.

Nitrocarburación

A diferencia de la carbonitruración, se aporta N y C con el acero en estado ferrítico (también llamada "nitrocarburación ferrítica").
Temperatura de tratamiento: 495-565 °C
Aumenta la actividad de la fase gaseosa, reduciendo el tiempo de proceso a 1-3 horas.
No es necesario templar la pieza tras la nitrocarburación.
Se obtiene una capa exterior de pocas micras de espesor en la que se forman carbonitruros  de dureza muy elevada, lo que aporta al material una excelente resistencia al desgaste abrasivo.

Temple Superficial

El temple superficial es un proceso de endurecimiento por transformación martensítica en la superficie.

Espesores típicos: 1-5 mm
Se realiza un calentamiento localizado hasta austenizar y luego un enfriamiento rápido.
Métodos de temple:
- Temple por inducción (corrientes inducidas)
- Temple a la llama
- Temple por láser
- Bombardeo de haz de electrones

Galvanizado y Zincado

Galvanizado: Aplicación de una capa de zinc por inmersión en caliente (440-460 °C).
Zincado (electrozincado): Aplicación de una capa de zinc por medios electrolíticos.
Por galvanización se obtienen capas de mayor espesor (50-200 m) que por zincado (5-50 m).
La capa de zinc protege frente a la corrosión al material base al actuar como barrera y al ser protector catódico.
En presencia de humedad y poca aireación sobre la superficie de la pieza galvanizada, se pueden formar manchas blancas de hidróxido de zinc hidratado. El bicromatado reduce el riesgo de aparición de estas manchas.

Diferencias entre Galvanizado y Zincado

Por galvanización se obtienen capas de mayor espesor (50-200 m) que por zincado (5-50 m).
Mayores riesgos de distorsión de la pieza en galvanizado.
La adhesión de la capa puede ser peor por galvanizado.
Peor homogeneidad del espesor de la capa en galvanizado y posible sobreespesor en los bordes.
Por zincado se puede aplicar diferente espesor de capa en cada lado de las chapas.

Preguntas frecuentes

¿Qué temperatura se usa en la nitruración?

La nitruración se realiza entre 490 y 580 °C. El tiempo y el espesor de la capa dependen del proceso empleado (gaseosa, sales o plasma).

¿Cuál es la diferencia entre carbonitruración y nitrocarburación?

En la carbonitruración el aporte de C y N se hace con el acero en estado austenítico, mientras que en la nitrocarburación se hace en estado ferrítico, a menor temperatura y sin necesidad de templar.

¿Por qué el galvanizado da capas más gruesas que el zincado?

El galvanizado por inmersión en caliente forma capas de 50-200 µm, mientras que el zincado electrolítico produce capas de 5-50 µm.