Endurecimiento Superficial Explicado: Mejorando la Resistencia y Durabilidad de Superficies Metálicas

La capacidad de resistir desgaste e indentación son dos atributos muy importantes de ciertos tipos de metales. La dureza, la medida de estas propiedades, es una consideración clave al decidir qué metal elegir. Para asegurar que la dureza del sustrato metálico sea apropiada, algunos metales cambian su dureza superficial a través de un método llamado endurecimiento superficial.

El endurecimiento de caja es una técnica para mejorar la durabilidad y apariencia de una superficie metálica, en la que la superficie del metal se refuerza agregando una capa delgada en la superficie superior de otra aleación metálica. La capa delgada de aleación es generalmente más dura y duradera que el metal original.

Qué es el Endurecimiento de Caja

El endurecimiento de caja también se llama "endurecimiento superficial". Es un proceso de tratamiento térmico que endurece la superficie de la pieza metálica mientras mantiene el interior de la pieza relativamente blando.

Para hierro o acero con bajo contenido de carbono, el procedimiento de endurecimiento de caja generalmente implica agregar carbono o nitrógeno adicional a la superficie. Los metales sólidos contienen moléculas y átomos que están estrechamente empaquetados en una estructura cristalina. Cuando el carbono se difunde desde el material carbonáceo en la superficie de acero de bajo carbono o acero de aleación en la estructura cristalina, la resistencia y dureza de la capa externa aumentarán drásticamente. La profundidad de la caja de difusión de carbono puede controlarse finamente para determinar las propiedades mecánicas de la caja.

Por Qué Endurecer la Caja

Hay muchas razones para endurecer la superficie de un material en lugar de intentar endurecer un objeto metálico completo. Una razón es la eficiencia. Comparado con toda la sección transversal del metal, se requiere menos energía y tiempo para calentar la superficie más externa del metal. Estas eficiencias pueden ahorrar mucho costo en operaciones de fabricación a gran escala.

Las piezas con endurecimiento de caja son muy adecuadas para piezas que están en contacto constante con piezas duras o abrasivas, porque las piezas con endurecimiento superficial son más resistentes al desgaste, y generalmente son más fuertes que las piezas que han pasado por el procedimiento de "endurecimiento completo", porque el núcleo de las piezas con endurecimiento superficial es blando, por lo que puede soportar mayor estrés sin agrietarse. Durante el proceso de endurecimiento superficial, también se aplican temperaturas más bajas a varios metales (como capas delgadas de acero) durante el proceso de fabricación para prevenir deformación.

Tipos de Métodos de Endurecimiento de Caja

Calentamiento y Temple

También llamado endurecimiento por llama o inducción. Como su nombre sugiere, este proceso de endurecimiento superficial de metal involucra llama o calor. En este proceso, las piezas de acero de alto carbono se calientan a temperaturas extremas por llama de oxígeno o calentamiento por inducción, y luego las piezas de acero de carbono calentadas se enfrían rápidamente por un refrigerante (generalmente agua). Este temple por llama solo tiene buen efecto en acero o hierro con suficiente contenido de carbono. El contenido de carbono debe ser 0,3-0,6% en peso C. Para materiales de acero o hierro con contenido de carbono inferior a este valor, hay otros procesos, como nitruración y cementación.

Nitruración

La nitruración es otra forma de tecnología de endurecimiento superficial. En este proceso, las piezas de acero se calientan a 484-621°C en un ambiente de amoníaco y amoníaco disociado. La profundidad de la superficie endurecida depende de cuánto tiempo la pieza de acero permanece en el ambiente de amoníaco. Este método debe usar elementos como cromo, molibdeno y aluminio para formar nitruros para endurecer la superficie de las piezas de acero. La temperatura elevada y la exposición al nitrógeno promoverán la formación de nitruros, que son inherentemente muy duros y resistentes al desgaste. Este proceso es efectivo solo cuando el metal se endurece con elementos que pueden formar nitruros (como cromo y molibdeno). La nitruración generalmente requiere una temperatura más baja que el calentamiento y temple, y no requiere un proceso de temple, reduciendo así la deformación.

Cementación

La cementación es otra forma de endurecimiento superficial ampliamente usada para mejorar las propiedades mecánicas de sustratos de acero. En el proceso de cementación, la aleación de acero se calienta a alta temperatura y luego se expone a una gran cantidad de carbono en su superficie. Dependiendo de los requisitos de la aplicación, la fuente de carbono externa puede ser gas, líquido o sólido. Una gran cantidad de carbono externo formará luego carburos con otros elementos en la superficie del acero. Estos carburos proporcionan mayor dureza y resistencia al desgaste. Similar a la nitruración, los requisitos de calentamiento son generalmente más bajos y pueden resultar en menos deformación.

Ventajas del Endurecimiento de Caja

1. El Endurecimiento Superficial Mejora la Durabilidad y Uso Económico de Piezas de Acero

Una de las principales ventajas del endurecimiento de caja es que proporciona durabilidad mejorada para componentes de acero. La resistencia mecánica y dureza superficial producidas por el endurecimiento superficial, así como la retención del núcleo blando, mejoran significativamente la resistencia al desgaste y la vida a fatiga del componente. Retener un núcleo más blando puede mejorar la capacidad de absorber la energía liberada por la carga de impacto, ayudando así a extender la vida útil y ventajas económicas.

2. El Endurecimiento Superficial Permite Usar Acero con Excelente Maquinabilidad para Aplicaciones de Servicio Pesado

Generalmente, las aleaciones usadas para aplicaciones de servicio pesado tienen baja maquinabilidad porque necesitan ser más duras y fuertes. En este caso, el proceso de endurecimiento superficial permite que el acero de bajo carbono con maquinabilidad de precisión se use en aplicaciones de armas y pistolas, así como otras aplicaciones similares de servicio pesado que requieren resistencia mecánica, acabado superficial fino y geometría precisa. El posterior endurecimiento superficial después del procesamiento proporciona excelente resistencia al desgaste y dureza para la superficie de piezas mecanizadas de precisión.

3. El Endurecimiento Superficial Mejora la Soldabilidad del Acero

El endurecimiento superficial mejora la soldabilidad del acero, lo cual es importante para ciertas aplicaciones de ingeniería.

4. El Endurecimiento Superficial por Nitruración Puede Minimizar la Deformación

El endurecimiento superficial de acero por nitruración puede producir una superficie de carga resistente al desgaste y de bajo costo con deformación mínima. A temperaturas alrededor de 150°C (302°F), la superficie nitrurada no perderá dureza como el acero cementado.

Conclusión

En aplicaciones donde los componentes están sujetos a cargas de choque, vibraciones y condiciones de desalineación, el acero con endurecimiento de caja es la primera opción. Diferente del acero endurecido completamente, el acero de bajo carbono y aleación endurecido superficialmente se vuelve resistente, fuerte, duro y no frágil. El endurecimiento superficial también produce una superficie resistente al desgaste, proporcionando durabilidad y fiabilidad.