Endurecimiento por Precipitación

El envejecimiento térmico, también conocido como endurecimiento por precipitación es un tratamiento térmico para endurecer, es decir, aumentar la dureza y resistencia de las aleaciones. Se basa en la deposición de fases metaestables en forma finamente dividida, de modo que forma una barrera eficaz contra los movimientos de las dislocaciones. La resistencia a la fluencia de las aleaciones así tratadas puede aumentar hasta 300 MPa.

Algunas aleaciones endurecidas por envejecimiento térmico:

• La serie 2000 de aleaciones de aluminio (ejemplos importantes: 2024 y 2019, también de aleación de Y y Hiduminium)
• La serie 6000 de aleaciones de aluminio (ejemplo importante: 6061 para los cuadros de bicicleta y de las estructuras aeronáuticas)
• La serie 7000 de aleaciones de aluminio (ejemplos importantes: 7075 y 7475)
• Acero inoxidable 17-4PH (UNS S17400)
• Acero martensítico
• Inconel 718
• Aleación X-750
• René 41
• Waspaloy.

Endurecimiento superficial del acero

El endurecimiento superficial es un término general que abarca una amplia variedad de técnicas, todas ellas con el mismo objetivo: 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. Las principales diferencias entre ellos se muestran en la tabla a continuacion.

Tabla 1. Métodos ingenieriles para el endurecimiento superficial de los aceros y algunos no ferrosos.

Procesos Termoquímicos

 Son procesos de endurecimiento superficial por difusión. En este caso, se modifica la composición química de la superficie de la pieza mediante un proceso termoquímico, el cual necesita calor para promover la disfusión de una especie endurecedora hacia la superficie y regiones subsuperficiales de la pieza a tratar. Este proceso de difusión modifica la composición química de la superficie de la pieza, formando una capa dura.

Tabla 2. Clasificación de los procesos de endurecimiento por difusión (procesos termoquímicos). 

Carburización

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.

El proceso de carburización puede resumirse en los siguientes pasos:

a) Calentar la pieza hasta la temperatura de austenización (815-1090 ºC).

b) Someter la pieza a un medio carburante (sólido, líquido o gaseoso) por un determinado tiempo (de algunas horas a días, dependiendo del medio carburante).

c) Temple la pieza: 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.

d) Revenido de la microestructura martensítica superficial.

De esta forma, se obtiene en la pieza un gradiente superficial en la concentración de carbono. Como consecuencia, se genera un gradiente de dureza, que es mayor en la superficie y decrece hacia el interior. Así se genera una superficie dura (50-65 HRC) y resistente al desgaste, conservando la tenacidad del interior de la pieza.

Fig 1. Gradiente en la concentración de carbono que resulta de la carburización gaseosa de un acero SAE 8620 para 4, 8 y 16 horas a 927 ºC. Der: Diferentes microestructuras de la carburización sólida de un acero 0.15% C, luego de un enfriamiento lento desde 940ºC por a) 1 hora, b) 2 horas y c) 4 horas. 

Nitruración

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 amoníaco 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 amoníaco 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.

Los pasos completos del proceso de nitruración suelen ser los siguiente:

a) Mecanizado de las barras laminadas o piezas en bruto de forja o estampado, dejando un exceso de 2 mm sobre las medidas finales.

b) Temple y revenido a una temperatura tal que el núcleo consiga la dureza o resistencia deseada.

c) Mecanizado final de las piezas, dejándolas casi exactamente a las medidas finaIes.

d) En algunos casos se somete a las piezas a un tratamiento a 500-600 ºC (temperatura inferior a la de revenido) para eliminar las tensiones de mecanizado.

e) Protección de las superficies que no se quiere endurecer y desengrasado.

f) Nitruración.

g) Ligero rectificado final (opcional).

Figura 21. Esquema y microestructura de la capa nitrurada. La microestructura de la derecha corresponde a un acero 0.4%C, 1.6%Cr, 0.35%Mo y 1.13%Al. El núcleo consiste de martensita revenida con 30 HRC de dureza.