1. Ing. Fredy Llano M

2. 2

3. 3

4. ¿Qué son?
Operación o conjunto de operaciones realizadas en el estado
sólido que comprenden calentamiento, permanencia a
determinadas temperaturas y atmósferas (medio capaz de
ceder, carbono, nitrógeno, carbono y nitrógeno), y
enfriamiento, realizadas con la finalidad de conferir al material
determinadas características superficiales.
Combinan la acción del calor con la acción química y el
resultado es el (saturación) de una capa, o todo el volumen, de
una pieza con un elemento metálico o no metálico.
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5. Finalidad
Endurecimiento superficial por la modificación parcial de la
composición química o a través de cambios estructurales en la
superficie del componente.
Resultado
Mejora de la resistencia al desgaste de la pieza sin afectar la
ductilidad en su interior.
Aplicaciones
Situaciones donde se desea una superficie con elevada
dureza, resistente al desgaste, y un núcleo tenaz capaz de
resistir impactos cuando se encuentre en uso -
engranajes, cojinetes, ejes-
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6. 6

7. Los principales métodos de saturación que se utilizan en los
tratamientos termoquímicos son:
Saturación con mezclas de polvos
Saturación por difusión en medios gaseosos
Saturación por difusión en los metales o sales fundidas que
contienen un elemento difundidor
Saturación en pastas y suspensiones
Saturación por difusión con aplicación del vacío
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8. El proceso de tratamiento termoquímico es heterogéneo, se
efectúa en diferentes fases contiguas, aisladas una de otra por
la superficie interfacial.
El tratamiento termoquímico comprende tres etapas
correlacionadas entre sí:
Disociación (reacciones en el medio saturante):
 Descomposición de las moléculas y formación de átomos
activos del elemento que se difunde.
 Difusión de estos hacia la superficie del metal a tratar
2CO CO2 C NH3 3H N
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9. Absorción (reacciones en el límite de separación de las fases):
Se desarrolla en el límite gas-metal y consiste en que la
superficie del metal absorbe (disuelve) los átomos activos.
Difusión
Traslación dentro del metal de los átomos absorbidos, a
medida que se acumulen los átomos del elemento
difundidor, en la superficie de saturación surge un flujo difusivo
que va desde la superficie hacia el interior del metal a tratar.
El proceso pude ocurrir únicamente a condición de que el
elemento difundidor sea soluble en el metal a tratar y la
temperatura sea lo bastante alta para asegurar a los átomos la
energía necesaria.
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10. La capa de difusión y su calidad se caracterizan por los
siguientes parámetros:
Estructura y composición fásica
Grosor total o efectivo
Distribución de las concentraciones del elemento difundidor
en el grosor de la capa
Dureza superficial y su distribución en el grosor de la capa
Fragilidad superficial
Homogeneidad
Continuidad y uniformidad de distribución de la capa de
difusión a lo largo de la configuración de la pieza.
Profundidad del temple.
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11. Métodos superficiales de endurecimiento
Adición de capas Modificación del sustrato
Recubrimiento metálico Métodos difusivos
Capas soldadas, thermal spray
cementación, nitruración, carbonitrur
Revestimientos ación
películas delgadas
(PVD, CVD, Sputtering, implantación Métodos de endurecimiento
iónica, R. galvánicos) selectivo
T. a la llama, T. inducción, T. Láser
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12. Métodos difusivos de endurecimiento
Son métodos que involucran la modificación química de la
superficie, necesitan de calentamiento para aumentar la
difusión de los elementos en la superficie de la pieza.
La profundidad da capa difusiva K (tiempo)1/2 donde K = cte
difusiva depende de la temperatura, composición química del
acero y del gradiente de concentración de la especie
endurecedora(C, N o B).
1
2

13. Tratamiento difusivo a usar según el tipo de acero
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14. Cementación
Tratamiento que tiene por objeto enriquecer con carbono la
superficie de las piezas para conseguir una elevada dureza en
ella y buena tenacidad en el núcleo.
Consiste en el calentamiento y mantenimiento del material a
altas temperaturas (zona austenítica), en una atmósfera rica en
carbono, de tal manera que ocurra la difusión del carbono de la
superficie hacia el centro da pieza.
Después de la cementación se templa la pieza; las partes
externas adquieren elevada dureza y las partes internas
permanecen sin alteraciones.
El revenido posterior se realiza entre 100 y 200°C (alivio de
tensiones)
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15. Finalidad de la cementación
• Obtener dureza superficial elevada
• Obtener gran resistencia al desgaste
• Lograr un núcleo resistente, dúctil o tenaz, de acuerdo con
los requerimientos de uso.
• Aumentar la resistencia a la fatiga
Saturación de la superficie de un acero con carbono
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(cementación)

16. Características del proceso:
Usado para aceros de bajo carbono 0,1 a 0,2 wt% -aleados y
no aleados-
El cromo acelera la velocidad de penetración del
carbono. Los aceros al cromo níquel tienen buenas
cualidades mecánicas y responden muy bien a este
proceso. Una concentración de níquel por encima
del 5% retarda el proceso de cementación.
Temperatura de tratamiento -normalmente 850 a 950oC-
Los contenidos de carbono máximos obtenidos en la
superficie están entre 0,70 y 1,10%.
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17.  Profundidad de la capa cementada
Distancia desde la superficie hasta el punto en que el %C de la
capa cementada desciende hasta un mínimo de 0.40%C.
Varía con la temperatura de tratamiento y el tiempo de
permanencia a esa temperatura, está entre 0,01 hasta un
máximo de 3,0 mm.
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18. Factores que influyen en la cementación
 Contenido inicial de carbono en el acero
 Potencial do medio carburante (tipo)
 Temperatura y tiempo de tratamiento
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19. Procesos de cementación
Los principales métodos de cementación son sólida, líquida y
gaseosa. Independientemente del método usado, la
cementación siempre ocurre vía fase gaseosa. Sin
embargo, cada método tiene sus propias características
intrínsecas que producen diferentes resultados.
Cementación sólida
Las piezas se entierran en una caja llena de cementante
(carburante). El cual puede ser carbón vegetal, coque, huesos
calcinados, etc.
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20. El proceso se basa en el siguiente fenómeno: a las temperaturas
de cementación el carbono es transportado desde el cementante
hasta la superficie del acero por medio del CO (formado por la
falta de oxigeno) que se produce por la combinación del carbono
con el oxígeno del aire.
A altas temperaturas el CO es inestable y al ponerse en contacto
con la superficie del material se descompone de acuerdo con la
reacción
2CO C CO2
Se forma carbono atómico que es absorbido por la superficie.
El CO2 reacciona nuevamente con el carbono
CO2 C 2CO
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21. Sin embargo, con carbón solo no se obtienen porcentajes de
carbono superiores al 0.60%. Por eso se acostumbra mezclarlo
con carbonatos.
Una mezcla muy usada es el 60% de carbón y 40% de
carbonato de bario (BaCO3) pudiéndose sustituir el carbonato
de bario por carbonato potásico (K2CO3) o carbonato sódico
(Na2CO3).
Los carbonatos son usados como activadores cuando el oxigeno
es insuficiente.
BaCO3 C BaO 2CO
2CO C CO2 C
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22. Las principales ventajas de la cementación sólida
son:
Se puede usar una gran variedad de hornos porque produce su
propia atmósfera.
No requiere personal especializado
Es ideal para enfriamiento lento, es decir, para producir partes
que se maquinan.
Comparado con los otros métodos, ofrece una selección más
amplia de técnicas para cementación selectiva.
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23. Desventajas
El método, por su misma naturaleza, es menos limpio y
menos conveniente.
 No es adecuado para producir capas delgadas donde se
requiera un control estricto del espesor.
No tiene el grado de flexibilidad y precisión en el control del
contenido de carbono superficial y el gradiente, que se puede
obtener en a cementación gaseosa.
No es adecuado para el temple directo
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24. 24

25. Cementación líquida
La cementación liquida se hace manteniendo el acero en
contacto con un baño de sales a una temperatura elevada, con
el fin de introducir carbono y nitrógeno o carbono solo en el
metal.
La mayoría de los baños de cementación contienen cianuro que
introduce carbono y nitrógeno en la capa.
La cementación en medio líquido se debe distinguir de la
cianuración, que se lleva a cabo en un baño con un porcentaje
más alto de cianuro, por el carácter y composición de la capa
endurecida.
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26. El agente activo en el baño de sales es el cianuro de sodio, el
cual se descompone térmicamente así:
2NaCN O2 2NaCNO
4NaCNO 2NaCN Na2CO3 CO 2N
3Fe 2CO Fe3C CO2
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27. Características de la cementación líquida
 Se obtienen capas de una profundidad de 0,5 mm (hasta 1,5
mm)
 Usada para piezas pequeñas que requieran capas de 0,5 mm
 Más eficiente que la cementación sólida
 Líquido altamente tóxico
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28. Cementación gaseosa
la cementación por medio de gases se ha constituido en el
método más popular. En los procesos de cementación con
agentes carburantes sólidos o líquidos, se obtiene el gas
cementante en la inmediata proximidad de la superficie que se
va a cementar. El gas formado en estas condiciones tiene una
composición química apenas controlable y sólo se puede
modificar limitadamente.
Para solucionar estos inconvenientes se utiliza la cementación
gaseosa.
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29. La cementación se puede realizar a partir de distintos gases.
Tanto el metano como el monóxido de carbono, a temperaturas
elevadas, provocan la cementación.
Además de la reacción
CO2 C 2CO
Se puede tener la reacción con el metano
CH4 C 2H2
Si hay la presencia de hidrógeno
CO H2 C H2O
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30. La composición del gas se puede determinar por análisis y se
puede conocer el potencial de carbono. El contenido de
humedad del gas tiene una gran influencia sobre el potencial de
carbono, y se puede determinar midiendo el punto de rocío, el
cual se puede controlar por absorción de H2O en secadores o
condensando por refrigeración. Si se conoce la composición del
gas, es posible seguir la marcha del proceso mediante medidas
del punto de rocío.
Características
 Método más usado en la industria
 Al mezclar los gases no se pierde la eficiencia
 Mayor control da la capa (espesor) cementada
 Las mezclas de gases pueden ser explosivas y tóxicas
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31. Microestructura de una pieza cementada
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32. Nitruración
La nitruración es un tratamiento termoquímico que provoca un
endurecimiento en la superficie del material (aleaciones
ferrrosas), mediante la saturación con nitrógeno (N) que
reacciona con el material, calentado en una atmósfera rica en
este elemento, formando nitruros de hierro y, también, nitruros
especiales con ciertos elementos de aleación (Cr; Mo, V; W, Al;
etc.). La temperatura de nitruración
está, normalmente, comprendida entre 500 y 580oC ( de baja
temperatura), y sirve, a veces, como tratamiento que sustituye al
último revenido que se efectúa al material correspondiente.
Consecuentemente, no ocurren cambios de fase cuando el acero
es enfriado hasta temperatura ambiente.
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33. Objetivo:
Aumentar la dureza y la resistencia al desgaste manteniendo el
núcleo dúctil y tenaz.
Las propiedades que la nitruración imparte al acero son:
alta dureza superficial y resistencia al desgaste, junto con un
menor peligro de descascaramiento.
alta resistencia al revenido y alta dureza en rojo.
alta resistencia a la fatiga.
 mejor resistencia a la corrosión.
alta estabilidad dimensional.
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34. Como la capa nitrurada adquiere (sin ningún tratamiento térmico
posterior) una gran dureza y las dimensiones de las piezas varían muy
poco después de este proceso, la nitruración, a diferencia de los
procesos de cementación, se efectúa con las piezas acabadas, es
decir, después de someterlas al tratamiento térmico (temple y
revenido a alta temperatura) y de rectificarlas hasta el tamaño exacto.
A la nitruración se pueden someter los aceros ferríticos, perlíticos y
austeníticos así como las fundiciones.
Las piezas a nitrurar se introducen el un horno herméticamente
cerrado, al horno se hace llegar amoniaco a una determinada
velocidad, el cual se descompone (disocia) de acuerdo con la reacción
NH3 3H N
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35. Fases
 Ferrita ( )
 Austenita ( )
 Nitruro de hierro ( ’)
Fe4N
 Nitruro de hierro ( )
Fe2-3N
 Nitruro de hierro ( )
Fe2N
Diagrama de estado Fe-N 35

36. El nitrógeno también forma compuestos nitruros con otros
elementos de aleación (CrN, MnN, TiN, entre otros).
La dureza elevada de la capa nitrurada de debe a la gran
dispersión de los nitruros que se forman, que es tanto
mayor, cuanto más elevada es su estabilidad térmica, y ésta a su
vez, es tanto mayor, cuanto menor el es número de electrones
que hay en la capa d del metal, y más sólido es el enlace entre el
metal y el nitrógeno.
Posiblemente la presencia de aluminio en el acero haga que
además de los nitruros mencionados anteriormente, se forme el
nitruro de aluminio (AlN), cuyos enlaces covalentes determinan
su elevada estabilidad térmica.
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37. La profundidad y dureza de la capa nitrurada dependen de
varios factores, siendo los más importantes la temperatura, el
tiempo y la composición del acero.
37

38. Respuesta de diferentes aceros ante la nitruración
38

39. En las piezas nitruradas aparecen dos zonas: capa blanca y zona de difusión.
La capa blanca está constituida esencialmente por nitruros Fe2-3N y Fe4N;
dependiendo de los parámetros de tratamiento la capa
puede estar ausente, presentar una mezcla de ambos nitruros o solo alguno
de ellos.
En la zona de difusión ocurren diversas reacciones debido a la difusión de
nitrógeno, éstas son precipitación de nitruros, saturación de la red de
Fe, tensiones residuales, redistribución de carbono. Si el acero tiene
elementos tales como Cr, Al que tienen gran afinidad por el N, se facilita la
formación de nitruros de CrN u AlN.
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40. 40
Microestructuras de aceros nitrurados

41. Tipos de nitruración
 Gaseosa
 Líquida
 Iónica
 Nitrocarburación
 Sulfocarbonitruración
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42. Bibliografía
• ASKELAND, Donald R. Ciencia e ingeniería de los materiales. 3 Ed.
International Thomson, 1998.
• CALLISTER, William D, Jr. Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los
materiales, Mc Graw Hill.
• VALENCIA, Giraldo Asdrúbal. Tecnología del tratamiento térmico de los
metales. 2 Ed. U de A, 1992.
• APRAIZ, Barreiro José. Tratamientos térmicos de los aceros. 8 Ed.
Dossat,1985.
• AVNER, Sydney. Introducción a la metalurgia física. 2 Ed. Mc Graw-Hill.
1988
• PERO-SANZ ELORZ. José Antonio. Aceros, metalurgia física, selección y
diseño.1 Ed. Dossat, 2004.
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