Endurecimiento Superficial

Endurecimiento Superficial

El endurecimiento superficial se traduce en distintas técnicas para aumentar la dureza superficial de la pieza, incrementando la resistencia al desgaste y conservando la tenacidad en el interior de la misma. En algunas aplicaciones se busca, además, incrementar la resistencia a la fatiga.

Esta combinación de superficie dura y resistencia al impacto, dos propiedades en general opuestas entre sí, es útil en piezas tales como engranajes, ejes y piezas sometidas al desgaste mecánico. Hay tres enfoques diferentes a los diversos métodos de endurecimiento superficial. Estos son: Procesos Termoquímicos, Procesos Térmicos y Revestimientos.

Los tratamientos termoquimicos son procesos en los cuales se modifica la composición química de la superficie. Se introducen especies endurecedoras al acero como el C, N, B; en un proceso de Difusión.

Los tratamientos térmicos consisten en someter la pieza a determinadas temperaturas para modificar la microestructura superficial, dándole mayor resistencia al desgaste sin adicionar alguna especie endurecedora.

Los revestimientos consisten en someter la pieza en un baño químico de ciertos compuestos que se adhieren a la superficie de la pieza y proporcionan mayor durabilidad y protección contra el impacto, abrasión, corrosión  y rozamiento. Estos baños químicos pueden ser de Níquel, cobre, cromo y zinc.

Los procesos termoquimicos de endurecimiento superficial son:

• Carbunizacion: Es un proceso de endurecimiento superficial en el que la especie endurecedora es el carbono. Se emplea para endurecer principalmente superficies de piezas de acero de bajo carbono y aceros aleados de bajo carbono, generalmente de 0.08 a 0.25 %C. Aumenta la dureza superficial de una pieza de acero dulce, aumentando la concentración de carbono en la superficie. Se consigue teniendo en cuenta el medio o atmósfera que envuelve el metal durante el calentamiento y enfriamiento. El tratamiento logra aumentar el contenido de carbono de la zona periférica, obteniéndose después, por medio de temples y revenidos, una gran dureza superficial, resistencia al desgaste y buena tenacidad en el núcleo.

• Nitruracion:  Es una técnica de endurecimiento superficial de aleaciones ferrosas en el que se consiguen durezas extraordinarias en la periferia de las piezas por absorción de nitrógeno en una atmósfera de amoniaco y sin la necesidad de un temple final. Las piezas que se desean nitrurar son siempre templadas y revenidas antes de la nitruración. La nitruración se realiza en una atmósfera de amoniaco a 500-575 ºC, durante 20 a 80 horas. Se alcanzan profundidades de capa de 0.20 a 0.70 mm y durezas de hasta 70 HRC.

• Cianuracion: Consiste en calentar un acero, durante un tiempo determinado, a una temperatura sobre el punto crítico inferior Ac1 , en un medio capaz de cederle carbono y nitrógeno, para luego enfriarlo rápidamente en agua, aceite o baños de sales.

• Carbonitruracion: Al igual que la cianuración, introduce carbono y nitrógeno en una capa superficial, pero con hidrocarburos como metano, etano o propano, amoniaco (NH3) y monóxido de carbono (CO). En el proceso se requieren temperaturas de 650 a 850 °C aproximadamente, y es necesario realizar un temple y un revenido posterior.

• Sulfinizacion: En este tratamiento se incorpora carbono, nitrógeno y azufre 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. En la sulfinización se forman don capas. La capa exterior es dura y frágil y de bajo espesor (10 a 30 μm). Está compuesta de nitruros de hierro y nitruros de elementos de aleación (Al, Cr y W, si están presentes).

• Boronizado: Este proceso involucra la difusión de boro en la superficie de un acero a 850-950ºC. El boro se combina con el hierro 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, a altas temperaturas y a la corrosión. 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.

Tracción, dureza e impacto

TRACCIÓN

La  tracción es el esfuerzo interno a que está sometido un cuerpo por la aplicación de dos fuerzas que actúan en sentido opuesto, y tienden a estirarlo. Lógicamente, se considera que las tensiones que tiene cualquier sección perpendicular a dichas fuerzas son normales a esa sección, y poseen sentidos opuestos a las fuerzas que intentan alargar el cuerpo.

Un cuerpo sometido a un esfuerzo de tracción sufre deformaciones positivas (estiramientos) en ciertas direcciones por efecto de la tracción. Sin embargo el estiramiento en ciertas direcciones generalmente va acompañado de acortamientos en las direcciones transversales; así si en un prisma mecánico la tracción produce un alargamiento sobre el eje "X" que produce a su vez un encogimiento sobre los ejes "Y" y "Z". Este encogimiento es proporcional al coeficiente de Poisson (ν):

Cuando se trata de cuerpos sólidos, las deformaciones pueden ser permanentes: en este caso, el cuerpo ha superado su punto de fluencia y se comporta de forma plástica, de modo que tras cesar el esfuerzo de tracción se mantiene el alargamiento; si las deformaciones no son permanentes se dice que el cuerpo es elástico, de manera que, cuando desaparece el esfuerzo de tracción, aquél recupera su longitud primitiva.

La relación entre la tracción que actúa sobre un cuerpo y las deformaciones que produce se suele representar gráficamente mediante un diagrama de ejes cartesianos que ilustra el proceso y ofrece información sobre el comportamiento del cuerpo de que se trate.

Son muchos los materiales que se ven sometidos a tracción en los diversos procesos mecánicos. Especial interés tienen los que se utilizan en obras de arquitectura o de ingeniería, tales como las rocas, la madera, el hormigón, el acero, varios metales, etc.

Cada material posee cualidades propias que definen su comportamiento ante la tracción. Algunas de ellas son:

• elasticidad
• plasticidad
• ductilidad
• fragilidad

Catalogados los materiales conforme a tales cualidades, puede decirse que los de características pétreas, bien sean naturales, o artificiales como el hormigón, se comportan mal frente a esfuerzos de tracción, hasta el punto que la resistencia que poseen no se suele considerar en el cálculo de estructuras.

Por el contrario, las barras de acero soportan bien grandes esfuerzos a tracción y se considera uno de los materiales idóneos para ello. El acero en barras corrugadas se emplean en conjunción con el hormigón para evitar su fisuración, aportando resistencia a tracción, dando lugar al hormigón armado.

ENSAYO DE TRACCIÓN

El ensayo de tracción de un material consiste en someter a una probeta normalizada a un esfuerzo axial de tracción creciente hasta que se produce la rotura de la misma. Este ensayo mide la resistencia de un material a una fuerza estática o aplicada lentamente. Las velocidades de deformación en un ensayo de tensión suelen ser muy pequeñas (ε = 10^–4 a 10^–2 s^–1).

En un ensayo de tracción pueden determinarse diversas características de los materiales elásticos:

• Módulo de elasticidad o Módulo de Young, que cuantifica la proporcionalidad anterior. Es el resultado de dividir la tensión por la deformación unitaria, dentro de la región elástica de un diagrama esfuerzo-deformación.
• Coeficiente de Poisson, que cuantifica la razón entre el alargamiento longitudinal y el acortamiento de las longitudes transversales a la dirección de la fuerza.
• Límite de proporcionalidad: valor de la tensión por debajo de la cual el alargamiento es proporcional a la carga aplicada.
• Límite de fluencia o límite elástico aparente: valor de la tensión que soporta la probeta en el momento de producirse el fenómeno de la cedencia o fluencia. Este fenómeno tiene lugar en la zona de transición entre las deformaciones elásticas y plásticas y se caracteriza por un rápido incremento de la deformación sin aumento apreciable de la carga aplicada.
• Límite elástico (límite elástico convencional o práctico): valor de la tensión a la que se produce un alargamiento prefijado de antemano (0,2%, 0,1%, etc.) en función del extensómetro empleado. Es la máxima tensión aplicable sin que se produzcan deformaciones permanentes en el material.
• Carga de rotura o resistencia a tracción: carga máxima resistida por la probeta dividida por la sección inicial de la probeta.
• Alargamiento de rotura: incremento de longitud que ha sufrido la probeta. Se mide entre dos puntos cuya posición está normalizada y se expresa en tanto por ciento.

• Longitud calibrada: es la longitud inicial de la parte de una probeta sobre la que se determina la deformación unitaria o el cambio de longitud y el alargamiento (este último se mide con un extensómetro).

• Reducción de área y estricción: La reducción de área de la sección transversal es la diferencia entre el valor del área transversal inicial de una probeta de tensión y el área de su sección transversal mínima después de la prueba. En el rango elástico de tensiones y deformaciones en área se reduce en una proporción dada por el módulo de Poisson. Para un sólido lineal e isótropo, en un ensayo de tracción convencional, dicha reducción viene dada por:

${\displaystyle A=A_{0}\left(1-\nu {\frac {\sigma }{E}}\right)^{2}}$

Donde:

${\displaystyle A_{0}\,}$, es el área inicial.

${\displaystyle \nu ,E\,}$, son el coeficiente de Poisson y el módulo de Young.

${\displaystyle \sigma \,}$, es la tensión en dirección longitudinal de la pieza.

DUREZA

La dureza es la oposición que ofrecen los materiales a alteraciones físicas como la penetración, la abrasión y el rayado. Por ejemplo: la madera puede rayarse con facilidad, esto significa que no tiene mucha dureza, mientras que el metal es mucho más difícil de rayar. En la actualidad la definición más extendida aparte de los minerales y cerámicas sería la resistencia a la deformación plástica localizada.

En metalurgia la dureza se mide utilizando un durómetro para el ensayo de penetración de un indentador. Dependiendo del tipo de punta empleada y del rango de cargas aplicadas, existen diferentes escalas, adecuadas para distintos rangos de dureza.

El interés de la determinación de la dureza en los aceros estriba en la correlación existente entre la dureza y la resistencia mecánica, siendo un método de ensayo más económico y rápido que el ensayo de tracción, por lo que su uso está muy extendido.

Hasta la aparición de la primera máquina Brinell para la determinación de la dureza, ésta se medía de forma cualitativa empleando una lima de acero templado que era el material más duro que se empleaba en los talleres.

PRUEBA DE DUREZA

El ensayo de dureza Rockwell

Rockwell es un ensayo de dureza rápido desarrollado para el control de producción, que cuenta con una lectura directa de los resultados y se utiliza principalmente con materiales metálicos. La dureza Rockwell (HR) se calcula midiendo la profundidad de la penetración después de haber forzado un penetrador en un material de muestra conforme a una carga concreta. 

• Por lo general, se usa en geometrías de muestras de mayor tamaño
• Un "ensayo rápido" utilizado principalmente con materiales metálicos
• Se suele utilizar en ensayos avanzados, como el ensayo Jominy (extremo templado) (HRC)

El ensayo de dureza Vickers

Vickers es un ensayo de dureza para todos los materiales sólidos, incluyendo los materiales metálicos. La dureza Vickers (HV) se calcula midiendo las longitudes diagonales causadas por una penetración realizada al introducir un penetrador piramidal de diamante con una carga concreta en un material de muestra. El tamaño de las diagonales de la penetración se lee ópticamente a fin de determinar la dureza usando una tabla o fórmula.

• Este ensayo de dureza se utiliza para evaluar todos los materiales sólidos, incluyendo los metálicos
• Es adecuado para un amplio rango de aplicaciones
• Incluye un subgrupo de ensayos de dureza de soldaduras

El ensayo de dureza Knoop

La dureza Knoop (HK) es una alternativa a los ensayos Vickers dentro del rango de evaluación de microdureza. Se utiliza básicamente para superar las fracturas en los materiales quebradizos, y para facilitar los ensayos de dureza en las capas finas. El penetrador es un diamante piramidal asimétrico, y la indentación se calcula midiendo ópticamente la longitud de la diagonal larga.

• Se usa para materiales duros y quebradizos, como la cerámica
• Está especialmente indicado para áreas pequeñas y alargadas, como los recubrimientos

El ensayo de dureza Brinell

El ensayo de dureza Brinell se utiliza para muestras de mayor tamaño con una estructura de grano grande o irregular. La penetración del ensayo de dureza Brinell (HBW) deja una impresión relativamente grande al utilizar la bola de carburo de tungsteno. El tamaño de la penetración se lee ópticamente. 

• Se utiliza para materiales con una estructura de grano grande o irregular
• Se utiliza para muestras de gran tamaño
• Es idóneo para forjados y fundidos cuyos elementos estructurales son de gran tamaño

IMPACTO

El término impacto hace referencia a aquel momento en que un objeto o materia choca de manera violenta y fuerte contra otro objeto o materia. El impacto siempre supone algún tipo de alteración en las características de ese elemento aunque esto puede ser sólo en una porción de tal objeto dependiendo de dónde golpee y dónde se genere el impacto.

El ensayo de Impacto es otra de las pruebas Mecánicas que nos sirven para evaluar las propiedades de los materiales, su objetivo es determinar la Tenacidad de los mismos. La tenacidad se define como la propiedad que tiene un material de absorber energía hasta el punto de ruptura, cuando es sometido a esfuerzos de choque o golpes.

Existen dos métodos para realizar ensayos de Impacto:

Método Charpy en el cual el espécimen a probar es colocado en sentido horizontal sobre la sección de prueba y el impacto se aplica por la parte posterior a la ranura, este método es el más comúnmente utilizado.

Método Izod en este, el espécimen a probar se coloca en sentido vertical sobre la sección de prueba y el Impacto lo recibe por la cara en la cual está colocada la ranura.

La Tenacidad es una propiedad muy importante para el diseño y fabricación de materiales que trabajaran en condiciones bajo esfuerzos de Impacto o en un ambiente de bajas temperaturas, generalmente bajo 0° Celsius, además de ser directamente proporcional a la temperatura de prueba o de operación, es decir a mayor temperatura mayor Tenacidad y viceversa, por lo cual es recomendable que las pruebas de evaluación se realicen a temperaturas extremas con respecto a las condiciones de operación (bajo 0° Celsius) para garantizar los resultados.

Otra forma para determinar la Tenacidad de los materiales, es midiendo el área bajo la curva en un diagrama Esfuerzo – Deformación en un ensayo de Tensión, esta condición es de gran utilidad en el diseño de los materiales y componentes, solo considerar que esta evaluación es TEORICA.

La prueba de Impacto se realiza de acuerdo con la especificación A.S.T.M. E23-16B la cual establece tres diferentes tipos de probeta en cuanto a la preparación de la ranura:

Tipo A (Ranura en V)

Tipo B (Ranura cerrojo de llave)

Tipo C (Ranura en U)

Intersticios estructura HCP

Los espacios no ocupados (vacíos) de una estructura reciben el nombre de intersticios(también suelen denominarse huecos, pero nos parece más correcto reservar la palabra hueco para designar el concepto de hueco electrónico). Así por ejemplo, el espacio vacío que queda en el centro de la estructura CS constituye un intersticio cúbico.

Cuando seis átomos iguales se sitúan en los vértices de un octaedro, el espacio vacío que dejan en el centro se denomina intersticio octaédrico (Se ha representado un átomo extraño ocupando ambos intersticios, par dar mejor idea de su tamaño).

En el caso de que cuatro átomos iguales se coloquen en contacto, de modo que sus centros formen un tetraedro, el espacio vacío que dejan los átomos en el centro se conoce con el nombre de intersticio tetraédrico.

El conocimiento del número, tipo y ubicación de los intersticios de una determinada estructura es una cuestión de relativa importancia, porque a menudo estas oquedades sirven de alojamiento a átomos extraños. La incorporación de átomos extraños en el interior de la red de un material suele modificar drásticamente las propiedades de éste (tenga en cuenta que, por ejemplo, el acero no es mas que Fe en los instersticios de cuya estructura se ha incorporado una pequeña cantidad de átomos de carbono).

Diagrama Hierro Carbono

Diagrama Hierro-Carbono

El carbono es el elemento de aleación capaz de hacer variar más profundamente las propiedades del hierro, aun encontrándose en la aleación en una proporción muy pequeña. Resulta así que, convertido el carbono en el elemento de aleación más importante, el diagrama de equilibrio hierro-carbono adquiere una extraordinaria importancia en el estudio y utilización de las distintas aleaciones tecnológicas del hierro. El diagrama de fases hierro-carbono es el “mapa” que indica cómo, cuándo y en qué condiciones debe realizarse un tratamiento térmico y los resultados que deben esperarse del mismo. A partir del diagrama puede predecirse por ejemplo el tipo de constituyente mayoritario que tendrá la aleación en función de la temperatura y del contenido (%) de carbono; conocidos los constituyentes pueden predecirse entonces las propiedades que tendrá dicha aleación.

El diagrama de fases Fe-Fe3C muestra las fases presentes en las aleaciones de hierro-carbono enfriadas muy lentamente, a varias temperaturas y composiciones de hierro con porcentajes de carbono de hasta el 6,67%. Este diagrama de fases no es un diagrama de equilibrio verdadero ya que el compuesto carburo de hierro (Fe3C) no es una verdadera fase de equilibrio. En ciertas condiciones, el Fe3C, llamado cementita  puede descomponerse en las fases estables de hierro α y carbono (grafito). Sin embargo, en la mayor parte de las condiciones, el Fe3C es muy estable y, por tanto, puede considerarse en la práctica como una fase de equilibrio.

El diagrama Hierro-Carbono tiene las siguientes fases Solidas:

Ferrita-α: es una solución sólida intersticial de carbono en la red cristalina del hierro BCC (cúbica centrada en el cuerpo). Puede disolver en forma de solución sólida un máximo de 0,02% en peso de carbono a 723^oC. A medida que la temperatura disminuye, la solubilidad del carbono también disminuye, siendo de 0,005% a 0^oC. Tiene aproximadamente una resistencia máxima a la rotura de 280 MPa, un alargamiento del 35% y una dureza de 90 unidades Brinell. Es la forma más blanda de todos los constituyentes del acero, muy dúctil y maleable, además de magnética.

Austenita (γ): es una solución sólida intersticial de carbono en hierro γ. El hierro γ tiene una estructura cristalina FCC (cúbica centrada en las caras) y mayor solubilidad en estado sólido para el carbono que la ferrita α. La máxima solubilidad en estado sólido del carbono en la austenita es del 2,08% a 1.148^oC y disminuye a un 0,8% a 723^oC. La austenita posee una resistencia que oscila entre 850 y 1000 MPa, un alargamiento de 30-60% y una dureza de 300 unidades Brinell. Es blanda, muy dúctil y tenaz. Es amagnética. Tiene gran resistencia al desgaste, siendo el constituyente más denso de los aceros.

Cementita (Fe₃C): es un compuesto intersticial duro y quebradizo. Tienen límites despreciables de solubilidad y una composición del 6,67% en carbono y 93,3% en hierro. Es débilmente ferromagnética a baja temperatura, perdiendo sus propiedades magnéticas a 217^oC.

Perlita: es una solución sólida intersticial de carbono en hierro δ. Tiene estructura cristalina BCC como la ferrita α pero con una constante de red mayor. La máxima solubilidad en estado sólido del carbono en ferrita δ es del 0.09% a 1.465 ^oC.

A demás se presentan las siguientes reacciones invariantes:

1-a 1.495 ^oC tiene lugar una reacción peritéctica

Líquido (0,53% C) + Ferrita-δ (0,09% C)     »       Austenita (γ) (0,17% C)

2-a 1.148 ^oC tiene lugar una reacción eutéctica

Líquido (4,3% C)    »    Austenita (γ) (2,08% C) + Cementita (Fe₃C) (6,67%C)

3-a 723 ^oC tiene lugar una reacción eutectoide

Austenita (γ) (0,8% C)      »    Ferrita-α (0,02% C) + Cementita (Fe₃C) (6,67%C)