Endurecimiento Superficial

Presentación del tema: "Endurecimiento Superficial"— Transcripción de la presentación:

1 Endurecimiento Superficial

2 Técnicas de Endurecimiento Superficial
Objetivo: Se busca mejorar la dureza superficial de la pieza a tratar, incrementando la resistencia al desgaste y conservando la tenacidad en el interior de la pieza. En algunos casos se busca además aumentar la vida a la fatiga. Further, the surface hardening of steel has an advantage over through hardening, because less expensive low- and mediumcarbon steels can be surface hardened without the problems of distortion and cracking associated with the through hardening of thick sections.

3 Clasificación de los Procesos Termoquímicos (Difusional)
Según medio de transporte de la especie endurecedora Según especie endurecedora  Carburación  Nitruración  Carbonitruración  Nitrocarburación  Boronizado  Sulfinización C N C, N N, C B S, N, C Sólido Líquido Gaseoso Vacío Iones (Plasma) Se modifica la composición química de la superficie. Se requiere calor para “activar” a la especie endurecedora, y luego difundir hacia el material k = cte de difusividad térmica, depende de T, composición química del acero y gradiente de concentración de la especie endurecedora.

4 Características generales

5 Carburización (Cementación)
Objetivo: Mejorar la dureza superficial de la pieza, incrementando la resistencia al desgaste y conservando la tenacidad en el interior de la pieza. Aceros de bajo C (0.08 a 0.25%C). Capa carburada hasta 1%C. Profundidad de capa: 125μm a 1.5mm. Durezas superficial: HRC. Proceso: Calentar la pieza hasta una T de austenización ( ºC). Someter la pieza a un medio carburante (sol, liq o gas) por un determinado tiempo (de horas a días). Temple. La superficie carburada, de mayor templabilidad, forma martensita. El núcleo de la pieza, cuya composición química no es alterada, posee menor templabilidad y no forma martensita. Revenido de la microestructura martensítica superficial.

6 Gradiente superficial en la concentración de carbono (CAPA DURA)
Carburización sólida de un acero 0.15% 940ºC Gradiente en la concentración de C Carburización Gaseosa SAE 8620 a 927ºC 1 hora 2 horas 3 horas Gradiente superficial en la concentración de carbono (CAPA DURA) Gradiente de dureza Mayor en la superficie Superficie dura y resistente al desgaste Menor hacia el interior Núcleo tenaz

7 Carburización Gaseosa
Se emplean atmósferas carburantes controladas, de forma tal que: La concentración de carbono final en la superficie de la pieza sea menor al límite de solubilidad de la austenita a la T de carburización. Se minimiza la deposición de hollín en el interior del horno. atmósfera carburante controlada CO, H2, N2, CO2, CH4 = 1000ºC Gas portador. Ejemplos: Gas Endotérmico Atmósfera Metanol- Nitrógeno + Gas Rico (o Gas Carburante). Ej: Metano (Gas Natural) Propano Butano Generador de Gas Endotérmico

8 Carburización Gaseosa
Tipos de Hornos Hornos Continuos Hornos “Tipo Batch” Rotativos De Retorta Rotativos Con Cinta Transportadora Hornos de Fosa Hornos Horizontales Hornos de Lecho Fluidizado Algunos diseños de hornos permiten tener un sistema integrado de temple

9 Carburización Gaseosa Horno de fosa con carga superior
(Horno “Tipo Batch”)

10 Ejemplo: Rodamientos Peso total: kg T de carburizacion: 840ºC

11 Carburización Gaseosa Horno horizontal con sistema de temple integrado
(Horno “Tipo Batch”)

12 Carburización Gaseosa
Variables en el proceso de Carburización Temperatura Tiempo Composición de la atmósfera TEMPERATURA La velocidad de difusión del C en Fe γ aumenta con la T. Ejemplo: El C se incorpora en el acero un 40% más rápido al pasar de 870 ºC a 925 ºC.  A mayor T, mayor velocidad de difusión, mayor degradación del refractario y menor precisión en la profundidad de capa carburada  Relación de compromiso Una T de carburización muy empleada es 925ºC: permite una velocidad de carburización razonablemente rápida sin un deterioro excesivo del interior del horno. Para piezas de mayor profundidad de capa, la T puede ser elevada a 955 ºC y 980 ºC, acortando el tiempo de carburización. Para menores profundidades de capa, se emplean menores T de carburización para tener un control más preciso en la profundidad de la capa carburada.  Para obtener un resultado consistente, la T debe ser uniforme en toda la pieza. Si la T no es uniforme, se obtiene diferentes profundidades de capa de una pieza a otra o en la misma pieza. Por esto, se puede precalentar la carga hasta la T de carburización en una atmósfera endotérmica (en hornos batch y continuos). Luego se agrega el gas carburante.

13 Carburización Gaseosa
Variables en el proceso de Carburización Profundidad de capa en función del tiempo de carburización a diferentes temperaturas

14 Carburización Gaseosa
Variables en el proceso de Carburización COMPOSICIÓN DE LA ATMÓSFERA Se supone una atmósfera de un gas endotémico (producido a partir de metano) enriquecida con metano. Los principales constituyentes de la atmósfera carburante resultante son: CO, N2, H2, CO2, H2O y CH4. El N2 es inerte, actúa sólo como diluyente. El CO, CO2, H2, y H2O presentes en el gas son muy cercanas a las composiciones del siguiente equilibrio: El C sólo ingresa en el acero bajo el estado naciente, es decir, bajo las siguientes reacciones reversibles El metano está presente en cantidades mayores a las del equilibrio. Es la fuente de C según: La suma de las reacciones se reduce a: El CO2 y H2O se mantienen constantes. Se reduce del contenido de metano y se incrementa la cantidad de H2. De esta forma, los parámetros que se monitorean son: contenido del vapor de agua (midiendo el punto de condensación del gas), contenido de CO2 (mediante una análisis infrarojo del gas), cantidad de O2 (mediante sensores de circonia). El O2 altera la reactividad del C(enFe) según:

15 Compuesto de Carburización
Carburización Sólida Conocido también como carburización en cajas. La pieza a tratar es calentada hasta una T de austenización en un contenedor cerrado (caja) y en contacto con un compuesto de carburización sólido. Es el método más antiguo de los procesos de carburización y fue el más empleado durante muchos años. No es muy empleado en la actualidad debido a las limitaciones inherentes del proceso y la mejora de las otras técnicas de carburización. Compuesto de Carburización (Polvo Endurecedor) Calor Contenedor cerrado (Caja de cementar) Pieza a Cementar

16 Carburización Sólida Link Carburización en cajas (casero)

17 Carburización Sólida VENTAJAS
• Gran variedad de hornos (el proceso genera su propia atmósfera contenida en la caja de carburización). • Ideal para piezas que deban ser mecanizadas luego de la carburización y antes del TT final (bajas velocidades de enfriamiento desde la T de carburización). • Baja distorsión de las piezas durante la carburización (se emplea el compuesto carburizante para soportar las partes). • Esta técnica permite mayores opciones en cuanto a técnicas de carburización selectiva.

18 Carburización Sólida DESVENTAJAS
No es adecuado para capas poco profundas, donde se requiera estrictas tolerancias en cuanto a la profundidad de capa (por la variación de la T en el interior de la caja). No todas las piezas dentro de la caja tendrán la misma profundidad de capa. • No hay control de las variables del proceso y por ende, de los resultados finales. • Dificultad de templar directamente las piezas desde las cajas (requiere una operación adicional, siendo imposible la automatización del proceso de temple). • Mayor tiempo de procesamiento debido al calentamiento y enfriamiento de la caja y del compuesto de cementación. • Mayor consumo de combustible/electricidad. • Considerable mano de obra. Elevado costo de preparación y colocación de las piezas en las cajas. • Posee problemas medio-ambientales asociados a la disposición de compuestos de carburización que contienen bario.

19 Carburización Sólida + = Compuesto de carburización
Carbón vegetal / Coque de petróleo / Alquitrán + 10-20% de carbonatos de Ba, Ca y Na = Al mezclar el carbón con carbonatos alcalinos/alcalino-térreos, se alcanza hasta 1.20% de carbono en la superficie de la pieza. Caso contrario, el contenido de carbono sería inferior a 0.65%. Por ello, los carbonatos se llaman activadores. Las mezclas cementantes pierden su actividad con el uso y deben reponerse. Una práctica común es mezclar 3 partes de mezcla usada y una parte de mezcla nueva. Tipos de hornos + Variables de proceso

20 Carburización Líquida (Baño de Sales)
La pieza es inmersa en un baño de sales carburizantes a una T en donde el acero se encuentra en fase austenítica. Ya no tiene la importancia comercial que tenía en el pasado Problemas medioambientales asociado a la disposición de las sales (algunas contienen cianuros) El proceso tiene ciertas limitaciones (la remoción de sales puede ser difícil) Se realiza en menor tiempo que la carburización gaseosa (mayor velocidad de calentamiento). En general, las piezas se templan luego del baño, seguido de un revenido.

21 Carburización Líquida (Baño de Sales)
La mayoría de las sales de carburización contienen compuestos de cianuro. Si contienen cianuro  se introduce C y algo de N a la capa (El efecto del N es despreciable) Si no contienen cianuro  Sólo se introduce C a la pieza.

22 Carburización Líquida (Baño de Sales)
Baño de Sales con Cianuro Sales de baja T o penetración media Sales de alta T o gran penetración Profundidades de capa promedio (mm) 0.2 a 1.5 1 a 3 T de carburizacion (ºC) 850 a 900 875 a 950 Cianuro Sódico 17 a 23 7.5 a 12 Cloruro Bárico 14 a 40 45 a 55 Otras sales alcalinas (F- o Cl- de Ba, Ca o Sr) 0 a 3.5 2 a 10 Cloruro Potásico - 5.5 a 20 Cloruro Sódico 20 a 30 0 a 15 Carbonato Sódico <30 Cianato Sódico <1 <0.30

23 Carburización Líquida (Baño de Sales)
Tipos de Hornos: Crisoles Con electrodos sumergidos Calentados con resistencia eléctrica Calentados con gas o fuel oil

24 Descarburización Es el fenómeno en el cual un acero al carbono pierde carbono de su superficie. Puede ocurrir luego de un tratamiento térmico, trabajado en caliente o cualquier proceso en el cual el acero permanezca un período lo suficientemente largo en un medio oxidante. La descarburización es indeseable, dado que afecta la capacidad de endurecimiento de la superficie de la pieza al reducir su contenido de carbono. También afecta negativamente la dureza, resistencia mecánica y vida a la fatiga de los aceros.

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26 Carbonitruración Es un proceso modificado de carburización, y no una forma de nitruración Involucra la difusión de C y N a la superficie exterior del acero. Ambos elementos contribuyen a la formación de la capa dura. Puede ser gaseosa, líquida o por plasma. En gral se emplean menores T ( ºC) y menores tiempo que en carburización gaseosa. El N inhibe la difusión del C. Como resultado, se obtienen capas de menor profundidad y mayor dureza. Adquieren mayor dureza de temple, por lo que necesitan mayores T de revenido en la cementación para lograr la misma dureza. Tienen mayor resistencia al ablandamiento y al desgaste a alta T, cuando las piezas deban trabajar en caliente

27 Carbonitruración Gaseosa
Cualquier equipo que sirva para la carburización gaseosa puede ser utilizado para carbonitrurar, ya que sólo es necesario agregar de 2 a 12% de amoníaco a la misma atmósfera empleada en la carburización gaseosa. Ejemplos de aceros comúnmente carbonitrurados:  Serie 1000, 1200, 1300, 1500, 4000, , 4600, 5100, 6100, 8600, 8700.  Con contenidos de C de hasta 0.50%. Profundidades de capa de hasta 0.75mm. Rango de T de 760 a 870ºC. Durezas superficiales de 60 a 65 RC.

28 Carbonitruración Gaseosa
Efecto del nitrógeno en la capa dura  N, C, Mn, Ni: gammágenos (estabilidazores de austenita)  El N disminuye la velocidad crítica de temple (capa dura de mayor templabilidad) La pieza se puede templar desde una T menor, recibe menos deformación y disminuye las operaciones de enderezado y rectificado final. Efecto de la T Gradiente de dureza en un acero carbonitrurado a 815ºC por 1.5 h y templado en aceite. Curvas de Jominy de un acero de 0.08 %C

29 Carbonitruración Líquida (Cianuración)
Para endurecer pequeñas piezas de aceros de bajo y medio C, con o sin aleación. Similar a la carburización líquida (baño de sales con cptos CN).  Se distinguen entre sí por la profundidad y composición química de la capa: Carburización Líquida Carbonitruración Líquida o Cianuración Composición química de la capa Mayor C y menor de N Mayor N y menor de C Profundidad típica Hasta 6.35mm < 0.25 mm Grado: NaCN (%) NaCO3 (%) NaCl (%) T de fusión °C 96 a 98 % 97 2.3 Trazas 560 75 % 75.3 3.5 21.2 590 45 % 45.3 37 17.7 570 30 % 30 40 625 La composición de la capa cianurada varía mucho de un caso a otro, dependiendo de la temperatura de cianuración y de la concentración del cianuro de sodio. Los nitruros que se forman, interfieren y dificultan la penetración del carbono. En general, el nitrógeno formará nitruros y quedará su gran mayoría en la zona exterior de la capa dura. Hacia el interior de la capa, predominan los carburos. Debido a esta influencia del nitrógeno, la cianuración con capas duras de más de 0,3mm resulta poco atractivo económicamente.

30 Nitruración ● Las piezas que se desean nitrurar son siempre templadas y revenidas antes de la nitruración. ● Se realiza en una atmósfera de amoníaco a ºC, durante 20 a 80 horas. Se alcanzan profundidades de capa de 0.20 a 0.70mm y durezas de hasta 70 HRC. ● Únicamente una pequeña proporción del N atmómico (naciente) reacciona con el acero, transformándose rápidamente e1 resto en nitrógeno molecular (inerte). ● La parte del nitrógeno que reacciona con el acero difunde hacia el interior y forma nitruros de aluminio, cromo, molibdeno, vanadio y hierro, creando una capa superficial de elevada dureza.

31 Nitruración Los pasos completos del proceso de nitruración suelen ser los siguiente: 1) Mecanizado de la pieza, dejando un exceso de 2 mm sobre las medida finales. 2) Temple y revenido a una T tal que el núcleo consiga la dureza o resistencia deseada. 3) Mecanizado final, llevando casi exactamente a las medidas finales. 4) Tratamiento opcional a ºC (temperatura inferior a la de revenido) para eliminar las tensiones introducidas en el mecanizado. 5) Protección de las superficies que no se quiere endurecer y desengrasado. 6) Nitruración. 7) Ligero rectificado final (opcional). ● No es necesario templar la pieza desde la T de nitruración. Esto evita las deformaciones provenientes del enfriamiento rápido. Además, siempre que la T de nitruración sea inferior la T de revenido, las propiedades mecánicas del núcleo de la pieza quedarán inalteradas y serán las mismas a las obtenidas luego del revenido. ● Por ser relativamente baja la T de nitruración, no hay crecimiento grano. ● No es necesario someter las piezas nitruradas a ningún tratamiento térmico posterior.

32 Nitruración Ventajas: ● Gran dureza superficial.
● Gran resistencia a la corrosión. ● Ausencia de deformaciones. ● Endurecimiento preferencial. ● Retención de dureza a elevadas T. Durezas obtenidas por nitruración de diferentes tipos de aceros

33 Nitruración Para lograr una nitruración efectiva en los aceros al carbono, es condición necesaria cumplir con los siguientes factores: La temperatura de nitruración debe ser inferior a la del eutectoide. Es necesaria la presencia de aleantes formadores de nitruros (Al, Cr, Mo, V). Si se nitrura un acero al carbono extradulce (sin aleantes) a 700ºC en una atmósfera de amoníaco, se obtendría una capa relativamente dura, pero tan frágil que el proceso no tendría aplicación industrial. La principal causa de esa gran fragilidad es la aparición del eutectoide braunita que se forma cuando la nitruración se realiza a temperatura superior a 590ºC. En ese caso la penetración del nitrógeno sería más fácil, pudiendo llegar hasta un 9 % en la superficie. De esta forma, de la periferia al centro aparecerían las siguientes fases: ε, γ' + ε, γ', α + γ' (braunita) y α. En un acero al carbono ordinario, la difusión del nitrógeno hacia el interior se efectúa con más facilidad que en los aceros aleados. Sin embargo, se obtendrían durezas superficiales inferiores a los 60 HRC. Esta dureza se incrementa hasta 70 HRC (1000HV) si el acero presenta aleantes formadores de nitruros (Al, Cr, Mo, V). Además, la adherencia de la capa se incrementa significativamente. Los mecanismos de endurecimiento más importantes que explican el incremento de la dureza son: endurecimiento por la precipitación de los nitruros, bloqueo de planos de deslizamiento del hierro alfa y la presencia de tensiones de compresión originada por el incremento de volumen asociado a la formación de los nitruros.

34 Nitruración Microestructura de la capa nitrurada  CAPA BLANCA
Capa Blanca (nitruros ε y γ') Zona de difusión Zona de transición Núcleo Microestructura de la capa nitrurada  CAPA BLANCA ● Constituida por las fases ε y γ‘. ● Espesor típico: hasta 25 μm. Esta capa es muy dura y quebradiza y puede no ser deseada, siendo removida con un ligero mecanizado en caso de ser necesario.  ZONA DE DIFUSIÓN ● Constituida por nitruros estables provenientes de la reacción entre el N y los elementos formadores de nitruros que contenga el acero. ● Espesor típico: 1 mm Esta región es la que le confiere las propiedades de dureza y resistencia a la fatiga de las capas nitruradas.  ZONA DE TRANSICIÓN ● Gradiente de microestructuras entre la zona de dufisión y la el núcleo de la pieza. Esta zona no siempre es visible por microscopía óptica.  NUCLEO ● Martensita revenida. Se considera que la dureza del núcleo es la misma que la obtenida luego del temple y revenido.

35 Nitruración Composición química de los aceros de nitruración
Tipo de acero Composición Química Dureza Vickers Resistencia Mecánica (kg/mm2) C Si Mn Ni Cr Al Mo V Cromo-Aluminio-Molibdeno 0.50 0.35 0.65 - 1.60 1.10 0.20 1100 126 0.40 98 0.30 91 76 Alto en cromo con molibdeno y Vanadio 3.00 1.00 0.25 850 133 0.45 100 79 Cromo-Molibdeno-Vanadio 2.00 0.15 750 94 0.18 83 Cromo-Molibdeno 0.60 650 92 En un Aº al C, la difusión del N hacia el interior se efectúa con más facilidad que en los Aº aleados. Sin embargo, se obtendrían durezas superficiales inferiores a los 60 HRC. Esta dureza se incrementa hasta 70 HRC (1000HV) si el acero presenta aleantes formadores de nitruros (Al, Cr, Mo, V). La adherencia de la capa se incrementa significativamente. Mecanismos de endurecimiento: endurecimiento por precipitación de nitruros, bloqueo de planos de deslizamiento y la presencia de tensiones de compresión originada por el incremento de volumen asociado a la formación de los nitruros.

36 Nitrocarburación La nitrocarburación, o nitrocarburación ferrítica, es un proceso modificado de nitruración y no una forma de carburización. Tanto N como C (en menor cantidad) se introducen en forma simultánea en el acero en fase ferrítica ( ºC). Se alcanzan durezas superficiales de 60 a 72 HRC. Puede ser llevado a cabo en un baño de sales (líquido) o en atmósfera gaseosa. Últimamente está teniendo mayor participación la nitrocarburación por plasma.

37 Nitrocarburación Microestructura de la capa nitrocarburada
 CAPA BLANCA ● Compuesta por fase ε. ● Espesor típico: entre 10 y 40 μm. En general esta capa es contínua y le confiere buenas propiedades a la capa dura.  ZONA DE DIFUSIÓN ● compuesta por nitruros de hierro y nitruros de elementos de aleación y nitrógeno absorbido. El espesor total (capa blanca más zona de difusión) puede llegar a ser 1 mm.

38 Boronizado Este proceso involucra la difusión de B en la superficie de un acero a ºC. El boro se combina con el Fe del acero y alguno de los elementos de aleación, formando boruros. De esta forma, se obtiene una capa de muy alta dureza (hasta 2000 HV), resistente al desgaste, resistente a altas temperaturas y resistente a la corrosión. En caso de requerir un mecanizado final, sólo es posible realizarlo con piedra de diamante. Se aplica a aceros al carbono, de baja aleación, aceros para herramientas, aceros inoxidables y aceros sinterizados. También se realizan boronizados sobre aceros ya carburizados. Se conocen los siguientes procesos: boronizado en cajas (sólido), boronizado líquido, boronizado gaseoso, boronizado en plasma, boronizado en lecho fluidizado. De todos estos métodos, sólo el boronizado sólido tiene interés comercial. Este proceso se realiza a ºC durante 3 a 5 horas. La caja se retira del horno y se deja enfriar al aire. Fuente de boro Activadores Relleno (Inerte) B4C 5% KBF4 SiC 90% 50% 45% 85% Na2CO3 15% - 95% Na2B4O7 84% 16% Los espesores típicos de capa borada son 0.05 a 0.25 mm para aceros de bajo carbono y de baja aleación y a mm para aceros de alta aleación.

39 Boronizado Características de la Capa Borada
La capa dura resultante puede estar formada por una o dos fases. Caso monofásico: la capa es de Fe2B Caso bifásico: capa exterior es de FeB y la capa interior de Fe2B. La fase FeB, si se forma, es muy frágil y se produce en una superficie que se encuentra altamente tensionada (tensiones de tracción). El Fe2B es la fase preferida, por ser menos frágil y generar tensiones de compresión en la pieza.

40 Sulfinización Se suele emplear un baño formado por dos sales:
Se incorpora C, N y S en la superficie del acero, al someter la pieza a un baño de sales a baja temperatura (565ºC). Como resultado, se obtiene una notable mejora en la resistencia al desgaste. No se observa un incremento significativo en la dureza superficial del acero. Se suele emplear un baño formado por dos sales: Una sal de bajo punto de fusión: carbonato sódico con cianuro sódico y cloruro potásico (puede considerarse como una sal típica de cianuración). Una sal portadora de azufre: cloruro de potasio con cianuro sódico y sulfito sódico. A veces interviene un tercer tipo de sal, de relleno, que es inerte en el proceso. Las superficies sulfinizadas tienen propiedades antifricción. Este fenómeno se explica por la microfusión de compuestos de azufre (de bajo punto de fusión) como consecuencia del incremento de temperatura generada en el rozamiento. Esto facilita el deslizamiento entre las piezas. Por otro lado, los compuestos duros incrustados en la matriz (nitruros), mejoran la resistencia al roce.

41 Sulfinización Microestructura de la capa sulfinizada
Se forman don capas. La capa exterior es dura, frágil y de bajo espesor (10 a 30 μm). Compuesta de nitruros de hierro y nitruros de elementos de aleación (Al, Cr y W, si están presentes). La capa interior es más blanda y de mayor espesor. La profundidad total que se alcanza es de hasta 0.30 mm.