Tratamientos térmicos y superficiales del acero: nitruración, cianuración, carbonitruración, PVD y CVD

Tratamientos Térmicos y Superficiales del Acero

Nitruración

Nitruración: tratamiento que tiene por objeto endurecer la capa superficial de los aceros mediante la absorción de nitrógeno. Se realiza calentando las piezas en una corriente de amoniaco a 500 ºC durante 24 a 96 horas. La dureza se atribuye a la formación de nitruros de los elementos de aleación del acero (entre 0,2 y 0,7 mm).

Como se trabaja a baja temperatura, no se produce aumento del grano ni es necesario ningún tratamiento posterior ni acabado, ya que no sufren deformaciones. Las piezas nitruradas se templan y revienen antes de efectuar la nitruración. Se consiguen durezas de 78 HRC, y ofrece una alta resistencia a la corrosión del agua dulce y salada, sin producir deformaciones en las piezas.

Inconvenientes

Solo pueden nitrurarse aceros especiales (F-174) y las instalaciones son muy costosas.

Sulfinización

Es un tratamiento en baño de sales no contaminantes activado con azufre (565 ± 5 ºC). El aspecto de las piezas es de un gris muy claro. Elevado (podría nitrurarse) hace posible resolver los problemas de desgaste, fatiga, gripaje y corrosión. Con este tratamiento se consiguen durezas elevadas en tiempos muy cortos, lo que permite sustituir algunos tratamientos, con ventajas económicas.

El proceso origina un ligero aumento de medida en las piezas dependiendo de la composición de estas y aumenta la rugosidad de las piezas tratadas.

Propiedades

1. Resistencia al desgaste: gracias a los compuestos formados por nitruros.
2. Resistencia a la fatiga: al alto poder nitrurante del baño, que genera contracciones residuales de compresión.
3. Gripaje: debido al contenido en azufre, ya que es un inhibidor de la soldadura, facilitando el rodaje y la adherencia del lubricante.
4. Corrosión: aumenta cuanto mayor sea el contenido en azufre.
5. Erosión y cavitación: al obtener capas monofásicas compactas se incrementa la resistencia.

Cianuración

Tratamiento que tiene por objeto endurecer la capa superficial por acción combinada del carbono y del nitrógeno (cementación + nitruración). Se calientan las piezas entre 750 y 950 ºC en un baño de cianuro sódico, carbonato sódico y cloruro sódico. El espesor depende de la duración: 0,3 mm en 50 minutos. Se emplea para endurecer piezas de acero de bajo y medio contenido en carbono.

Inconveniente

No se consiguen capas muy profundas y los cianuros son muy venenosos.

Carbonitruración

Tratamiento que se consigue endurecer una capa superficial por absorción simultánea de N y C. Se realiza a temperaturas de 900 ºC en acero en estado austenítico, con capas de 0,6 mm en 4 a 5 horas.

Características

• Disminución de la velocidad crítica del temple.
• Puede realizarse el tratamiento a temperaturas inferiores a las de cementación, disminuyendo el crecimiento del grano, las dilataciones anormales y con economía de combustible.

Sulfinización

Su objeto es aumentar la resistencia al desgaste de las piezas tratadas, calentándolas en un baño de sales con composición especial. Máximo 0,3 mm a 560 ºC en 1/3 de hora.

Inconvenientes

1. Corrosión superficial, originando microcavidades "piel de gallina".
2. Polidifusión de C-N-S.

Propiedades

1. No adquieren mayor dureza que la que tenía el metal base.
2. Es antisoldable por su contenido en azufre.
3. Cuando no se puede templar, se nitrura previa a la sulfinización, ya que ambos se hacen a la misma temperatura.
4. Se puede aplicar a cualquier acero, independientemente de su composición, aunque penetra mejor en los aceros dulces.
5. Resisten temperaturas elevadas de rozamiento de hasta 600 ºC.

PVD

(500 ºC, deposición química en fase vapor). Consiste en evaporar un metal puro o aleación, obtener su reacción para formar el compuesto deseado y depositarlo sobre la pieza a recubrir. En la cámara del reactor previamente se hace el vacío. La deposición del metal a extraer puede introducirse en la atmósfera reactiva o inerte, y es preferible que el metal base esté a alta temperatura.

El proceso puede ser asistido por plasma para aumentar la velocidad de crecimiento y mejorar las propiedades de la capa. La energía cinética de los iones se transforma en energía calorífica, manteniendo la temperatura durante la fase del recubrimiento.

Las aplicaciones obtenidas por PVD engloban los recubrimientos denominados técnicos o funcionales (resistencia al desgaste abrasivo, mejora de los coeficientes de fricción y desgaste adhesivo) y decorativos (resistencia a la corrosión).

CVD

Parte de un compuesto (precursor) gaseoso o fácilmente evaporable del metal a obtener en la capa (cloruros, como TiCl4, AlCl3...). El compuesto gaseoso reacciona a temperaturas cercanas a los 1000 ºC, con un reductor gaseoso para obtener iones metálicos. Los iones reaccionan a su vez con gases reactivos como N2, metano o mezclas de ambos. Este compuesto se condensa sobre la superficie del sustrato, difundiéndose en él por la alta temperatura. Cuando se consigue la capa deseada, se deja enfriar el reactor hasta la temperatura de descarga; luego, en vacío para evitar la oxidación, se templa y revienen si el sustrato es un acero. Los compuestos más comunes son TiC, TiCN, TiN, SiC, Al2O3, etc.

El tipo que más se está usando, por su capacidad de producción, costes y reproducibilidad de los resultados, es el LPCVD (CVD de baja presión); la uniformidad de la capa es muy precisa, incluso en zonas difíciles. Se ahorran precursores por la baja presión, generando pocos residuos.

Otro proceso es el TRD (proceso Toyota de difusión), más simple que el CVD, que permite realizar temple de las piezas a continuación del proceso de recubrimiento. Se realiza en un baño de sales fundidas donde está el óxido del metal, que reacciona con los carburos, un agente reductor y bórax (borato sódico). El carbono se combina con el metal formando el carburo.

Inconveniente

Genera residuos de las sales usadas.

Aplicaciones a alta temperatura

Conformado, extrusión en frío o caliente, forja y embutición.