Endurecimiento superficial: mejora del rendimiento del acero mediante tratamiento selectivo

Definición y concepto básico

El endurecimiento superficial se refiere a un conjunto de técnicas utilizadas para aumentar la dureza de la capa exterior de un objeto metálico, manteniendo al mismo tiempo la dureza y tenacidad de su interior. Este proceso metalúrgico crea un componente con una superficie (cubierta) dura y resistente al desgaste y un núcleo tenaz y dúctil.

El endurecimiento superficial es crucial en la ciencia e ingeniería de materiales, ya que permite optimizar la resistencia al desgaste y al impacto en un solo componente. Esta característica de doble propiedad es especialmente valiosa en aplicaciones donde los componentes experimentan tanto desgaste superficial como tensión mecánica.

Dentro del campo más amplio de la metalurgia, el endurecimiento superficial representa un subconjunto importante de los procesos de tratamiento térmico. Conecta las propiedades del material a granel con la ingeniería de superficies, permitiendo a los metalúrgicos modificar selectivamente las características del material en puntos específicos, en lugar de hacerlo en todo el componente.

Naturaleza física y fundamento teórico

Mecanismo físico

A nivel microestructural, el endurecimiento superficial suele implicar la formación de fases o estructuras duras en la capa superficial del acero. El mecanismo más común es la transformación de austenita en martensita en la capa superficial, lo que crea una estructura cristalina dura con alta densidad de dislocaciones.

En procesos de cementación, como la carburación, los átomos de carbono se difunden en la superficie del acero y ocupan posiciones intersticiales en la red cristalina. Esta sobresaturación de carbono distorsiona la estructura cristalina, lo que impide el movimiento de dislocación y aumenta la dureza.

En los procesos de nitruración, los átomos de nitrógeno forman precipitados de nitruro con elementos de aleación como el aluminio, el cromo y el molibdeno. Estos precipitados finos bloquean el movimiento de dislocación y aumentan significativamente la dureza superficial mediante mecanismos de endurecimiento por precipitación.

Modelos teóricos

El principal modelo teórico para el endurecimiento superficial se basa en la teoría de la difusión, en particular en las leyes de difusión de Fick. Este modelo describe cómo el carbono, el nitrógeno u otros elementos endurecedores penetran en la superficie del acero con el tiempo y la temperatura.

Históricamente, la comprensión del endurecimiento superficial evolucionó del conocimiento empírico artesanal al conocimiento científico a principios del siglo XX. El desarrollo de los diagramas de fases, en particular el diagrama de fases hierro-carbono, sentó las bases teóricas para las técnicas modernas de endurecimiento superficial.

Existen diferentes enfoques teóricos para los distintos métodos de endurecimiento. Mientras que los modelos de difusión se aplican a procesos químicos como la carburación y la nitruración, los modelos de cinética de transformación describen mejor el endurecimiento por inducción y a la llama, donde ciclos rápidos de calentamiento y enfriamiento inducen transformaciones de fase sin cambios en la composición.

Fundamentos de la ciencia de los materiales

El endurecimiento superficial se relaciona directamente con la estructura cristalina al alterar la disposición de los átomos en la capa superficial. En el acero, la transformación de austenita cúbica centrada en las caras a martensita tetragonal centrada en el cuerpo genera tensiones internas que aumentan la dureza.

La relación con la microestructura es compleja, ya que los límites de grano suelen servir como vías de difusión preferenciales para los elementos endurecedores. Las estructuras de grano más finas suelen dar como resultado profundidades de capa y perfiles de dureza más uniformes.

El endurecimiento superficial se relaciona con principios fundamentales de la ciencia de los materiales, como la difusión en estado sólido, las transformaciones de fase, el endurecimiento por precipitación y la teoría de dislocaciones. Estos principios explican por qué las superficies endurecidas resisten la deformación mediante mecanismos que impiden el movimiento de las dislocaciones.

Métodos de expresión y cálculo matemático

Fórmula de definición básica

La profundidad del caso en el endurecimiento de la superficie basado en la difusión se puede aproximar utilizando la solución de la segunda ley de Fick:

$$x = K \sqrt{Dt}$$

Dónde:
- $x$ es la profundidad de la caja (mm)
- $K$ es una constante dependiente del proceso
- $D$ es el coeficiente de difusión (mm²/s)
- $t$ es el tiempo de tratamiento (s)

Fórmulas de cálculo relacionadas

El coeficiente de difusión sigue una relación de Arrhenius con la temperatura:

$$D = D_0 \exp\left(-\frac{Q}{RT}\right)$$

Dónde:
- $D_0$ es el factor preexponencial (mm²/s)
- $Q$ es la energía de activación (J/mol)
- $R$ es la constante del gas (8,314 J/mol·K)
- $T$ es la temperatura absoluta (K)

La profundidad efectiva de la caja a menudo se define como la profundidad donde la dureza es igual a la dureza del núcleo más 50 HV:

$$d_{eff} = d_{HV(núcleo+50)}$$

Condiciones y limitaciones aplicables

Estas fórmulas son válidas principalmente para procesos basados ​​en difusión en condiciones isotérmicas y suponen una geometría semiinfinita con concentración superficial constante.

Los modelos tienen limitaciones cuando se aplican a geometrías complejas, particularmente en esquinas y bordes donde ocurre difusión multidireccional.

Estos modelos matemáticos suponen un material base homogéneo y no tienen en cuenta los efectos del trabajo en frío previo, las variaciones del tamaño del grano o la presencia de carburos que puedan afectar las trayectorias de difusión.

Métodos de medición y caracterización

Especificaciones de pruebas estándar

ASTM E384: Método de prueba estándar para dureza por microindentación de materiales, que cubre los procedimientos de prueba de microdureza esenciales para medir gradientes de dureza en capas endurecidas por cementación.

ISO 2639: Acero - Determinación y verificación de la profundidad efectiva de endurecimiento después del endurecimiento de la superficie, especificando métodos para determinar la profundidad del endurecimiento.

ASTM A255: Métodos de prueba estándar para determinar la templabilidad del acero, que proporcionan procedimientos para evaluar la profundidad potencial de endurecimiento.

SAE J423: Métodos de medición de la profundidad de la carcasa, que detalla varias técnicas para medir la profundidad de la carcasa en componentes carburizados, nitrurados y endurecidos por inducción.

Equipos y principios de prueba

Los microdurómetros con indentadores Vickers o Knoop se utilizan comúnmente para medir los perfiles de dureza en la transición de la caja al núcleo. Estos instrumentos aplican pequeñas cargas (normalmente de 10 a 1000 gf) para crear indentaciones microscópicas.

Se utiliza microscopía óptica para examinar muestras seccionadas transversalmente, revelando cambios microestructurales entre las regiones de la caja y del núcleo después del grabado apropiado.

La caracterización avanzada puede incluir microscopía electrónica de barrido (SEM) con espectroscopia de rayos X de energía dispersiva (EDS) para mapear la distribución elemental, o difracción de retrodispersión de electrones (EBSD) para analizar los cambios cristalográficos.

Requisitos de muestra

Las muestras estándar requieren un corte transversal perpendicular a la superficie endurecida, seguido de un montaje en resina para facilitar su manipulación durante la preparación y la prueba.

La preparación de la superficie implica el pulido con abrasivos progresivamente más finos (normalmente de grano 1200), seguido de un pulido con suspensiones de diamante para lograr un acabado de espejo adecuado para pruebas de microdureza y microscopía.

Las muestras deben estar libres de artefactos de preparación, como redondeo de bordes, que puede distorsionar las lecturas de dureza cerca de la superficie, y generación de calor durante el corte, que podría alterar la microestructura.

Parámetros de prueba

Las pruebas normalmente se realizan a temperatura ambiente (20-25 °C) bajo humedad controlada para evitar la oxidación de la superficie de las muestras preparadas.

Para las pruebas de microdureza, se utilizan tiempos de permanencia estándar de 10 a 15 segundos con cargas seleccionadas para crear hendiduras de tamaño apropiado para la microestructura que se está evaluando.

Los movimientos de dureza generalmente comienzan cerca de la superficie (25-50 μm desde el borde) y continúan hacia adentro a intervalos regulares (a menudo 100 μm) hasta llegar bien adentro del material del núcleo.

Proceso de datos

Los datos del perfil de dureza se recopilan midiendo las dimensiones de sangría y convirtiéndolas a valores de dureza utilizando fórmulas estándar para la escala seleccionada (normalmente HV o HK).

El análisis estadístico a menudo incluye el cálculo de la media y la desviación estándar de múltiples mediciones en cada profundidad para tener en cuenta la heterogeneidad microestructural.

La profundidad de la caja se determina a partir de perfiles de dureza utilizando criterios como la profundidad de caja efectiva (profundidad en la que la dureza es igual a la dureza del núcleo más 50 HV) o la profundidad de caja total (profundidad en la que la dureza es igual a la dureza del núcleo).

Rangos de valores típicos

Clasificación del acero	Rango de valores típicos	Condiciones de prueba	Estándar de referencia
Acero bajo en carbono (1018, 1020)	Profundidad de caja de 0,5-2,5 mm, superficie de 58-62 HRC	Cementación a 900-950°C	SAE J423
Acero al carbono medio (1045, 4140)	Profundidad de caja de 1,5-3,0 mm, superficie de 55-60 HRC	Endurecimiento por inducción	ASTM E18
Acero para herramientas (A2, D2)	Profundidad de caja de 0,1-0,3 mm, superficie de 65-70 HRC	Nitruración a 500-550°C	ISO 6507
Acero inoxidable (304, 316)	Profundidad de caja de 0,05-0,15 mm, superficie de 1000-1200 HV	Nitruración de plasma a 400-450 °C	ASTM E384

Las variaciones dentro de cada clasificación de acero generalmente resultan de diferencias en el contenido de elementos de aleación, particularmente carbono en el material base y elementos que forman nitruros o carburos.

Al interpretar estos valores, los ingenieros deben tener en cuenta que la dureza máxima ocurre ligeramente debajo de la superficie en muchos procesos, y que el gradiente de dureza, no solo la dureza máxima, determina el rendimiento del desgaste.

Un patrón notable en los distintos tipos de acero es que los aceros de mayor aleación generalmente alcanzan una mayor dureza superficial, pero a menudo con profundidades de recubrimiento menores debido a la presencia de elementos de aleación que retardan los procesos de difusión.

Análisis de aplicaciones de ingeniería

Consideraciones de diseño

Los ingenieros suelen tener en cuenta el endurecimiento superficial especificando la profundidad de la capa y los requisitos de dureza según los cálculos de la tensión de contacto y las condiciones de desgaste. La profundidad de la capa debe superar la profundidad máxima de la tensión de corte en aplicaciones con altas tensiones de contacto hertzianas.

Los factores de seguridad para componentes con superficie endurecida suelen variar entre 1,2 y 1,5 para las especificaciones de profundidad de la caja, y se aplican factores más altos cuando las condiciones de carga son variables o están mal definidas.

Las decisiones de selección de materiales están influenciadas por la templabilidad, y los aceros altamente aleados son preferidos para aplicaciones que requieren grandes profundidades de carcasa o cuando la distorsión debe minimizarse mediante procesos de baja temperatura como la nitruración.

Áreas de aplicación clave

Los sistemas de propulsión de automóviles representan un área de aplicación crítica, con componentes de superficie endurecida que incluyen engranajes, árboles de levas y cigüeñales que deben soportar altas cargas cíclicas y al mismo tiempo mantener dimensiones precisas y acabado de la superficie.

La maquinaria pesada y los equipos de minería utilizan componentes con superficie endurecida en áreas expuestas a un desgaste abrasivo extremo, donde las profundidades de la carcasa gruesa proporcionan una vida útil prolongada en entornos operativos hostiles.

Las herramientas de corte y las matrices se benefician de las técnicas de endurecimiento de superficies, como la nitruración, que proporciona una dureza de superficie extrema sin los cambios dimensionales asociados con los procesos de endurecimiento total, manteniendo bordes de corte precisos o formando superficies.

Compensaciones en el rendimiento

El endurecimiento de la superficie a menudo crea una compensación con la resistencia a la fatiga, ya que la zona de transición entre la carcasa y el núcleo puede crear concentraciones de tensión que pueden iniciar grietas por fatiga bajo carga cíclica.

La tenacidad y la resistencia al impacto pueden verse comprometidas por profundidades de caja excesivas o superficies demasiado duras, lo que requiere que los ingenieros equilibren la resistencia al desgaste con la capacidad de absorber la energía del impacto sin agrietarse.

Estos requisitos en competencia normalmente se equilibran optimizando tanto la profundidad de la carcasa como las propiedades del núcleo, a veces utilizando procesos especializados como la carbonitruración que proporciona una transición más gradual entre la carcasa y el núcleo.

Análisis de fallos

El aplastamiento de la caja es un modo de falla común en el que la capa endurecida colapsa bajo una carga excesiva, lo que generalmente ocurre cuando la profundidad de la caja es insuficiente en relación con las tensiones de contacto aplicadas.

Este mecanismo de falla progresa a partir de una deformación plástica subterránea en el material del núcleo, lo que genera un soporte inadecuado para la carcasa frágil, que luego desarrolla microfisuras y, en última instancia, se desprende de la superficie.

Las estrategias de mitigación incluyen especificar profundidades de caja más profundas, asegurar una dureza de núcleo adecuada para soportar la caja e introducir tensiones residuales de compresión a través de procesos como el granallado para retrasar la iniciación de grietas.

Factores influyentes y métodos de control

Influencia de la composición química

El contenido de carbono en el material base afecta significativamente la templabilidad; los aceros con mayor contenido de carbono logran una mayor dureza de carcasa, pero potencialmente a costa de la tenacidad del núcleo.

Los oligoelementos como el azufre y el fósforo pueden obstaculizar los procesos de difusión y crear profundidades de capa no uniformes, mientras que el aluminio residual de las prácticas de desoxidación puede consumir nitrógeno durante los procesos de nitruración.

La optimización de la composición a menudo implica la selección de aceros con cantidades controladas de elementos formadores de carburo, como cromo, molibdeno y vanadio, que mejoran la templabilidad y proporcionan fortalecimiento por precipitación en el caso.

Influencia microestructural

Los tamaños de grano más finos generalmente aceleran los procesos de difusión al proporcionar una mayor área de límite de grano, lo que da como resultado profundidades de caja más profundas para un tiempo de proceso y una temperatura determinados.

La distribución de fases antes del endurecimiento de la superficie afecta las propiedades finales del caso, y las microestructuras uniformes y refinadas generalmente producen perfiles de dureza más consistentes que las estructuras heterogéneas.

Las inclusiones y los defectos pueden crear variaciones localizadas en la profundidad y dureza de la caja, y las inclusiones no metálicas a menudo actúan como barreras para la difusión y crean puntos blandos en la capa endurecida.

Influencia del procesamiento

Los tratamientos térmicos de preendurecimiento establecen la microestructura del núcleo e inciden significativamente en la relación de propiedades final entre la carcasa y el núcleo, mientras que las condiciones normalizadas o templadas y revenidas proporcionan propiedades de referencia diferentes.

Los procesos de trabajo mecánico como el laminado en frío o el granallado pueden aumentar la dureza de la superficie a través de mecanismos de endurecimiento por trabajo e introducir tensiones residuales de compresión beneficiosas.

Las velocidades de enfriamiento durante el temple afectan críticamente la formación de martensita en la carcasa; las velocidades de enfriamiento más rápidas producen mayor dureza, pero potencialmente mayor distorsión y riesgo de agrietamiento.

Factores ambientales

Las temperaturas de funcionamiento elevadas pueden reducir la dureza de la superficie a través de efectos de templado, particularmente en casos martensíticos, lo que limita la temperatura máxima de servicio para muchos componentes con superficie endurecida.

Los entornos corrosivos pueden atacar preferentemente la interfaz carcasa-núcleo en algunos procesos de endurecimiento de superficies, particularmente cuando existen diferencias de potencial electroquímico entre diferentes regiones microestructurales.

Los efectos ambientales dependientes del tiempo incluyen la fragilización por hidrógeno en capas nitruradas expuestas a entornos que contienen hidrógeno, lo que puede provocar un agrietamiento prematuro bajo carga.

Métodos de mejora

Los tratamientos de superficie dúplex, como la combinación de nitruración con un recubrimiento PVD posterior, pueden mejorar las propiedades de la superficie más allá de lo que es posible con un solo tratamiento, proporcionando endurecimiento basado en difusión y capas cerámicas resistentes al desgaste.

Las mejoras basadas en procesos incluyen tecnologías de atmósfera controlada que regulan con precisión el potencial de carbono o la actividad del nitrógeno, lo que da como resultado profundidades de caja más consistentes y una distorsión reducida.

Consideraciones de diseño como radios de borde adecuados y evitar transiciones abruptas ayudan a prevenir la carburación o nitruración excesiva en los bordes y las esquinas, lo que reduce el riesgo de fractura frágil en estas áreas de concentración de tensión.

Términos y normas relacionados

Términos relacionados

La profundidad de la caja se refiere al espesor de la capa endurecida, normalmente medida como profundidad total de la caja (donde la dureza es igual a la dureza del núcleo) o profundidad de la caja efectiva (donde la dureza alcanza un valor específico por encima de la dureza del núcleo).

La templabilidad describe la capacidad de un acero para formar martensita a profundidades específicas cuando se enfría, lo que afecta directamente la profundidad potencial que se puede lograr a través de procesos de endurecimiento por transformación.

La transición de caja a núcleo se refiere a la zona de gradiente entre la caja completamente endurecida y el material del núcleo no afectado, donde las transiciones graduales generalmente brindan un mejor rendimiento mecánico que los cambios abruptos.

Estos términos son aspectos interrelacionados de la tecnología de endurecimiento de superficies, donde la templabilidad determina la profundidad potencial de la carcasa y la transición de la carcasa al núcleo influye en el rendimiento general del componente.

Normas principales

SAE J2242: La terminología y las definiciones del tratamiento térmico de engranajes automotrices proporcionan un lenguaje estandarizado para los procesos de endurecimiento de superficies aplicados a los componentes de transmisión y tren motriz.

ISO 15787: Documentación técnica de producto - Piezas ferrosas tratadas térmicamente - Presentación e indicaciones establece convenciones internacionales para especificar los requisitos de endurecimiento superficial en dibujos de ingeniería.

Diferentes normas abordan el endurecimiento de la superficie con distinto énfasis; mientras que las normas ASTM se centran en las metodologías de prueba, las normas ISO tienden a abordar las especificaciones del proceso y los requisitos de garantía de calidad.

Tendencias de desarrollo

La investigación actual está explorando procesos de endurecimiento de superficies a baja temperatura que minimizan la distorsión y al mismo tiempo proporcionan una dureza comparable a la de los métodos tradicionales, particularmente para componentes de precisión.

Las tecnologías emergentes incluyen procesos de difusión asistida por plasma que aceleran los tiempos de tratamiento y reducen el consumo de energía en comparación con los procesos de gas convencionales.

Es probable que los desarrollos futuros se centren en el modelado computacional de los procesos de difusión y transformación, lo que permitirá una predicción más precisa de las propiedades del caso y reducirá la necesidad de realizar pruebas exhaustivas de desarrollo de procesos.