1. TRATAMIENTOS SUPERFICIALES
A- INTRODUCCIÓN
El diseño suele exigir a las piezas requerimientos que incluyen una combinación de
varias propiedades y que muchas veces son conflictivas entre si. Es a partir de estos
desafíos que surgen los materiales recubiertos y los tratamientos superficiales.
Muchas veces es deseable alterar las propiedades de la superficie en determinadas
piezas. Por ejemplo mejorar la resistencia a la corrosión pintándola o con un
recubrimiento metálico, aumentar su dureza calentándola y luego templándola o bien
alterando su composición química y microestructura mediante un tratamiento
termoquímico.
Todos estos son ejemplos de tratamientos superficiales.
B- TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS
El objetivo de los tratamientos termoquímicos es el endurecimiento superficial
principalmente de los aceros, mediante una modificación parcial de su composición
química en las secciones que se desea endurecer. Mediante estos tratamientos se busca
obtener una alteración microestructural en la capa superficial del material, resultando
en un aumento de la dureza y la resistencia al desgaste en la superficie, al mismo
tiempo que el núcleo puede conservar buena tenacidad. En muchos casos utilizando
aceros que contengan una determinada cantidad de elementos de aleación, puede
conseguirse un núcleo de elevada resistencia y tenacidad, con superficie
extremadamente dura, resultando una pieza capaz de soportar solicitaciones mecánicas
muy exigentes.
El proceso clásico de endurecimiento superficial es la carburización o cementación. Es
el enriquecimiento superficial con carbono de ciertos aceros, por medio de un
calentamiento conveniente y en contacto con substancias carbonosas. Otro tratamiento
termoquímico de importancia es la nitruración, en que se tiene absorción superficial de
nitrógeno. Finalmente, la cianuración y la carbonitruración, permiten alcanzar
prácticamente el mismo objetivo, por la introducción superficial simultánea de carbono
y nitrógeno.
B-1 CARBURIZACIÓN (CEMENTACIÓN)
Definición: Proceso termoquímico utilizado en piezas ferrosas mediante el cual se agrega
carbono a la capa superficial de la misma. Como consecuencia de ello y luego de
efectuar el tratamiento térmico apropiado las piezas desarrollan excelentes propiedades
de dureza superficial y resistencia al desgaste.
Objetivo final del proceso: Conferir a las piezas tratadas gran dureza superficial y
simultáneamente buena tenacidad en el resto de la sección. A esto se suele agregar que
en muchos casos se establecen sistemas de tensiones residuales de compresión en la
superficie, que otorgan una mejora sustancial en la resistencia a la fatiga.
Este procedimiento permite obtener una pieza que puede pensarse como constituida por
dos aceros diferentes. El situado en el núcleo que presenta gran tenacidad y otro en la
periferia susceptible de adquirir una gran dureza luego de ser tratado térmicamente.
Descripción breve del proceso: La carburización es un proceso mediante el cual un
acero en estado austenítico es puesto en contacto con un ambiente de suficiente
potencial de carbono para causar su absorción en la superficie y, por difusión, crear un
gradiente de carbono entre la superficie y el interior del metal. Este fue uno de los
métodos antiguos más importantes para convertir el hierro en acero y se le conoció
como cementación. Como se apuntó más arriba las propiedades finales, tanto de la capa
carburizada como del núcleo, son alcanzadas mediante un tratamiento térmico

2. apropiado efectuado después del proceso de carburización (tratamientos post-cementado).
La carburización es realizada comercialmente a temperaturas generalmente en el rango
de 900 a 950ºC, donde el hierro se encontrará en forma austenítica. En la práctica se
prefiere temperaturas cercanas a 950ºC, para reducir el tiempo de carburización,
aunque también se han usado temperaturas más bajas, como 790ºC, y también más
elevadas, como 1.095ºC.
Por otro lado, la profundidad de penetración del carbono depende de la temperatura y
del tiempo, lo que puede ser comprobado por el examen de las curvas de la figura B.1.1,
trazadas para diferentes tiempos de cementación.
Figura B.1.1
Los procesos usuales de cementación, deben elevar el contenido superficial del carbono
desde 0,1% - 0,25% hasta 0.8% - 1.0%. Fundamentalmente, la cementación es un
fenómeno de difusión intersticial, es decir, implica el movimiento del carbono hacia el
interior del acero a través de la red cristalina. Por lo tanto, la velocidad de
enriquecimiento superficial de carbono en los aceros depende, en primer lugar, de su
coeficiente de difusión.
Sin embargo, en la cementación influyen también la fuente de abastecimiento de
carbono y la transferencia de éste hasta la superficie de los aceros. Siendo así se puede
establecer que los factores que influyen sobre la velocidad de enriquecimiento de
carbono en la superficie de los aceros son los siguientes:
· Contenido inicial de carbono en el acero. Es obvio que, si las otras variables
permanecen constantes, cuanto menor el contenido inicial de carbono en el
acero, tanto mayor será la velocidad de carburación;
· Coeficiente de difusión del carbono en el acero. Este es un factor de primordial
importancia, dado que el fenómeno de enriquecimiento superficial de carbono en
el acero es fundamentalmente un fenómeno de difusión. De hecho, lo que se
pretende en la cementación es incorporar al carbono como soluto en la austenita
y luego que este fluya por gradiente de concentración hacia el interior. Este
ultima etapa esta gobernada por el coeficiente de difusión. Este, a su vez, es
función de la temperatura y prácticamente no es afectado por el tamaño de
grano del acero, ni por la presencia de las impurezas normales (fósforo, azufre y
nitrógeno), o por los elementos de aleación en los contenidos en que son
usualmente encontrados en los aceros aleados para cementación.

3. · Temperatura. Es el factor más importante, ya que además de afectar en la
difusión –acelerándola con su elevación- influye también en la concentración de
carbono en la austenita y en la velocidad de reacción de carburación en la
superficie del acero;
· Concentración de carbono en la austenita. Como se sabe, la solubilidad del
carbono en la austenita es determinada, en el diagrama Fe-C, por la línea Acm.
Los elementos de aleación tienden a trasladar la línea Acm hacia la izquierda,
disminuyendo la solubilidad del carbono en la austenita. No obstante, esa
influencia es relativamente pequeña, para los contenidos de elementos aleantes,
usualmente encontrados en los aceros aleados para cementación, con excepción
del níquel, donde la influencia es mayor. Por otro lado, la difusión del carbono,
se ve influenciada por el gradiente de concentración generada, entre la
concentración más alta de la fuente de abastecimiento, a la concentración más
baja del núcleo del material.
Mecanismo de la cementación
Etapas fundamentales del proceso de cementación:
 Producción de carbono naciente cerca de la superficie de las piezas
En la mayoría de los procesos cementantes el carbono naciente proviene de la
descomposición de uno de estos dos gases, CO2 (dióxido de carbono) o CH4
(metano) según las siguientes reacciones:
2CO Û CO2 + C
o
CH4 Û 2H2 + C
 Absorción del carbono en la superficie por parte del acero
A la temperatura de tratamiento, el carbono naciente producido entra en
contacto con el hierro de la superficie y reacciona incorporándose a la pieza
como elemento soluto.
 Aumento de la concentración de carbono hacia el interior de la pieza
La concentración de carbono en la superficie aumenta respecto al interior. Este
gradiente motiva que átomos de carbono comiencen a migrar hacia el interior. El
mecanismo por el cual el carbono difunde a través de la estructura cristalina del
acero, es del tipo intersticial y no estacionaria. Esto significa que la
concentración de átomos de carbono en cualquier punto cercano a la superficie
cambia con el tiempo a medida que el proceso difusivo progresa. La ecuación
que gobierna este fenómeno es:


dCx d

x
= ×

dC
dx
D
dx
dt
(segunda ley de Fick para la difusión), cuya solución particular es:

 

× ×
 
=
-
C C
s x
-
x
D t
erf
C C
s o
2
donde Cs: Concentración de carbono en el gas carburante en la superficie de la pieza
Co: Concentración inicial de carbono en la pieza
Cx: Concentración de carbono a una distancia x de la superficie para un tiempo t
x: Distancia desde la superficie para la cual se resuelve la ecuación
D: Coeficiente de difusividad del carbono en hierro gamma (austenita)
T: tiempo

4. La función error es una función matemática que viene tabulada para diferentes
valores del argumento. La siguiente tabla expresa los valores de la función error
cuando el argumento va de 0 a 2,8.
Resumiendo como resultado de la cementación la cantidad y distribución del carbono
absorbido dentro de la pieza dependerá de los siguientes factores:
 Temperatura
 Tiempo a temperatura
 Naturaleza de la sustancia cementante
 Composición química del acero tratado
Para una dada temperatura el gradiente de carbono varía con el tiempo y el contenido de
carbono en equilibrio del medio cementante (ver figura B.1.1).
Claves:
El hierro γ (austenita) es capaz de retener en solución hasta un 2,0% de carbono.
Habitualmente se desea que el contenido de carbono de la capa cementada este
comprendido entre 0,85% y 1,0%. Por lo tanto una de las condiciones fundamentales para
cementar un acero es que la pieza debe ser calentada por encima del intervalo crítico
(T>AC3) pues en estado austenítico disuelve mayor cantidad de carbono. En consecuencia
la temperatura de tratamiento estará comprendida entre 850°C y 950°C, dependiendo del
contenido de carbono inicial del acero.
Debido al objetivo de obtener superficies duras pero núcleos tenaces es que los aceros
utilizados en cementación son siempre de bajo contenido de carbono, usualmente entre
0,05% y 0,25%.
El acero es mantenido en contacto con el gas carburante el tiempo suficiente para
desarrollar el gradiente de concentración que imparta las propiedades mecánicas
deseadas luego de ser tratado térmicamente.
El contenido de carbono de la capa interesa que no supere el 1% de carbono pues esto
puede dar lugar a la aparición de cementita en red que difícilmente puede ser destruida
por un temple posterior. Esta presencia de cementita libre aumenta la fragilidad de la
capa, además aumenta la posibilidad de retener austenita en la capa y por lo tanto
deteriorar sus propiedades mecánicas (ver figura B.1.2).
Se debe procurar evitar una línea nítida de demarcación entre la capa cementada y el
núcleo, o sea, la distribución del carbono o gradiente de carbono de la superficie al centro
debe ser suave, evitándose bruscas caídas de carbono. El mejor gradiente, o más suave se
obtiene aparentemente con enfriamientos más rápidos.

5. Figura B.1.2
Medición de la capa dura
Capa cementada total: Abarca desde la superficie hasta que el contenido en carbono
alcanza el porcentaje nominal del acero.
Capa efectiva o capa dura: Existen varias formas de definirla. Es la profundidad de capa
que luego del último tratamiento posee una dureza superior a 700Hv o 50 HRc que suele
corresponder a la zona cuyo porcentaje de carbono es superior a 0,5% C. Otra manera de
determinar la capa efectiva es a través de la observación metalográfica de una sección
transversal de la capa, coincidiendo el final de la capa efectiva con una estructura que
contenga un 50% martensita.
Aceros para cementación
Los aceros utilizados para cementación son de bajo contenido de carbono, generalmente
comprendidos entre 0,05% y 0,25%, con contenidos variables de aleantes según las
características mecánicas buscadas en el interior de la pieza y/o las deformaciones
admitidas después del temple.
A medida que aumenta el carbono inicial se pierde tenacidad en el núcleo central.
La elección del acero adecuado depende de varios factores entre los cuales podemos
nombrar a:
o El tamaño y la forma de la pieza a cementar más las tolerancias
dimensionales requeridas por el diseño
o La resistencia del núcleo
o El costo
Muchas veces por restarles importancia o no valorar correctamente estos factores no se
obtienen buenos resultados.
Se prefiere, en la cementación, aceros de grano fino, por su mejor tenacidad tanto en la
superficie endurecida como en el núcleo, a pesar de ser conocida la mejor capacidad de
templabilidad en de los aceros de grano grueso. Como veremos más adelante éstos
últimos, por otro lado exigen un mayor número de operaciones.
Los aceros de granulación fina necesitan solamente de una operación de temple, la cual,
conforme al tipo de acero, puede ser realizada directamente desde la temperatura de
cementación
El siguiente cuadro es un resumen de la clasificación de los aceros utilizados para
cementación.

6. Según el
contenido
de aleantes
Aceros al
carbono
Aceros de
media
aleación
Aceros de
alta
aleación
Según la
resistencia
y
tenacidad
· Carbono, silicio y manganeso
· Contenido de carbono entre 0,10 a 0,25%.
· C; Ni; Cr; Mo y Mn
· (%Ni+%Cr+%Mo+%Mn) < 3%
· Contenido de carbono entre 0,08 a 0,25%.
· C; Ni; Cr; Mo y Mn
· (%Ni+%Cr+%Mo+%Mn) > 3%
· Contenido de carbono entre 0,08 a 0,25%.
De gran ductilidad
y baja resistencia
De ductilidad y
resistencia medias
De alta resistencia y
baja ductilidad
De temple al agua
Según el
medio de
temple De temple al aceite
· A% > 14%
· 60 kg/mm2 < smax < 80 kg/mm2
· 80 kg/mm2 < smax < 110 kg/mm2
· 110 kg/mm2 < smax < 160 kg/mm2
De temple al agua o al aceite
Según el
tamaño de
grano
De grano grueso
De grano medio
De grano fino
Cementación a alta temperatura.
Entre los progresos más recientes de la técnica de la cementación, se debe citar la
utilización de temperaturas superiores a 950º C, con las siguientes ventajas sobre la
cementación convencional; es más rápida y el gradiente entre la superficie y el centro es
más gradual, por que el carbono se difunde más rápidamente a temperaturas más
elevadas.
Ese aumento de temperatura en el tratamiento de cementación ha sido posible, gracias al
perfeccionamiento introducido en: los hornos, en las aleaciones resistentes al calor y en el
control de la atmósfera. Se ha conseguido así, con cierta facilidad, temperaturas del orden
de 1.010ºC, en la cementación con gas, con apreciable aumento de producción.
Se trata, obviamente, de adoptar el proceso cuando se desea capas cementadas de mayor
espesor como por ejemplo, por sobre 1,25 mm.
Una de las principales objeciones a la cementación a temperaturas superiores a 950º C,
ha sido la posibilidad de ocasionar un excesivo crecimiento de grano; tal inconveniente
podría, de hecho, ser evitado adicionándose elementos que prevengan el crecimiento del
grano, tales como el aluminio, el titanio y el niobio. Sin embargo, con el empleo de aceros
modernos, el tiempo de cementación a la temperatura de 1.010º C, puede ser acortada en
40 a 50%, no habiendo entonces mayor crecimiento de grano del que se obtiene 925º C.

7. Fabricación de piezas cementadas
- Mecanización dejando sólo un ligero exceso de material
- Cementación
- Tratamientos térmicos posteriores
- Rectificación para alcanzar las dimensiones finales
Tratamientos térmicos previos a la cementación
Los aceros antes de la cementación deben de ser generalmente normalizados para
permitir el maquinado, debido a que, después de la cementación, las dimensiones y las
tolerancias exigidas solamente pueden ser corregidas por rectificado.
Tratamientos térmicos posteriores a la cementación
El tratamiento de carburización implica austenización completa y largos tiempos de
permanencia a temperaturas del orden de los 950°C. La consecuencia de ello es un
crecimiento grosero del grano austenítico, esto perjudica las propiedades finales tanto de
la capa endurecida como del núcleo al disminuir su tenacidad. Cualquier tratamiento
térmico posterior se verá afectado y por lo tanto debería ser diseñado esencialmente para
contrarrestar este problema.
Otro punto a tener en cuenta y que no debe olvidarse es que una pieza cementada esta
compuesta en realidad de dos aceros muy diferentes: de bajo carbono en el núcleo y otro
de alto carbono en la superficie.
Al momento de especificar el tratamiento térmico adecuado a realizar luego de la
cementación se deben considerar varios factores, tipo de acero y características
mecánicas requeridas además de la forma y dimensiones de la pieza.
En virtud de lo anterior tenemos:
· Temple directo: en este caso ni la capa ni el núcleo son regenerados. Consiste en
enfriar rápidamente desde la misma temperatura de cementación. No es el más
aconsejable y se utiliza en piezas poco comprometidas que solo requieren buena
resistencia al desgaste siendo mala la tenacidad del núcleo. La transición entre la
capa dura y el núcleo es más abrupta y por lo tanto la adherencia es mala y la
tendencia al desprendimiento o descascarado es alta. Como ventaja debemos
resaltar su rapidez y bajo costo.
Conviene utilizar aceros de grano fino y poco aleados pues templando desde tan
alta temperatura aceros aleados de grano grueso hay peligro de dejar austenita
retenida en la capa cementada.
· Temple sencillo para regeneración del núcleo: se utiliza cuando se busca obtener
buenas propiedades en el núcleo. La periferia puede tener una estructura algo
gruesa, frágil y de baja dureza.
· Temple sencillo para regeneración de la capa: Se trata de una regeneración
incompleta del núcleo y se logra una dureza media en la superficie. Se aplica a
piezas no muy comprometidas. Es importante utilizar hornos controlados para
evitar la descarburación de la capa.
Si utilizo aceros aleados de grano fino obtengo buenas propiedades en el núcleo,
caso contrario éste será muy frágil.
· Temple doble: consiste en realizar un temple en aceite o agua caliente luego de
calentar la pieza sólo unos grados por encima de AC3. esto es suficiente para
regenerar (afinar el grano) la estructura del núcleo aunque dicha temperatura es
suficientemente alta para la capa cementada.
En consecuencia un segundo temple se debe realizar calentando levemente por
encima de ACm (temperatura eutectoide) y enfriando enérgicamente a temperatura
ambiente. El objetivo de este segundo temple es la regeneración de la capa para
impartir buenas propiedades mecánicas. Tanto el tiempo calentamiento como el de

8. permanencia a la temperatura deben mantenerse al mínimo posible para evitar un
aumento del grano del núcleo ya regenerado durante el primer temple.
Este tratamiento es el indicado para piezas de gran compromiso mecánico que
tienen que soportar esfuerzos y choques elevados y a la vez resistencia al desgaste.
El temple doble es indicado en aceros de grano grueso. La aparición de los aceros
de grano muy fino ha disminuido su uso.
· Austempering y Martempering: se emplean cuando se quieren disminuir al
mínimo las posibilidades de deformaciones. El enfriamiento se lleva a cabo en
sales fundidas en lugar de agua caliente o aceite.
Todos los temples son seguidos por un revenido buscando la mejor combinación de
resistencia y tenacidad tanto en la capa como en el núcleo además de aliviar tensiones
internas surgidas del enfriamiento brusco y los cambios abruptos de secciones.

9. B-2 NITRURADO
Este tratamiento termoquímico persigue los mismos objetivos que la cementación,
obtener piezas con una capa superficial de gran dureza y resistencia al desgaste con
buena tenacidad en el resto de la sección.
No obstante presenta ventajas y desventajas particulares respecto a cualquier otro
tratamiento superficial las cuales iremos detallando a lo largo de este apunte.
En general las piezas nitruradas alcanzan elevados valores dureza en la superficie que
pueden variar desde 600 HV hasta 1100 HV. A través de la carburización no son posibles
de lograr durezas superiores a los 850 HV.
Aceros para nitruración
Una particularidad de la nitruración es que la dureza final se obtiene directamente luego
de finalizado el proceso de nitrurado, no siendo necesario realizar ningún tipo de
tratamiento posterior.
Los espesores de las capas no son muy elevados, no sobrepasando generalmente el medio
milímetro (0,5 mm).
La resistencia del núcleo suele oscilar entre los 750 MPa y 1300 MPa según el contenido
de carbono y demás aleantes del acero, además del tratamiento previo al cual fue
sometida la pieza (habitualmente temple y revenido).
Los materiales utilizados son aceros de entre 0,25% a 0,50% de carbono, aleados con
elementos fuertes formadores de nitruros como aluminio, cromo, vanadio y molibdeno. La
presencia de éstos nitruros hacen que la nitruración sea más eficaz y alcancen los
elevados valores de dureza mencionados más arriba.
Núcleos demasiados blandos (aceros de menor tenor de carbono que 0,25%), no son
apropiados como sustrato de la capa dura. Este contraste de durezas no es recomendable
ya que es muy probable que el núcleo no soporte las elevadas presiones de servicio que le
transmite la capa.
Utilizar aceros con altos porcentajes de carbono no es aconsejable pues ocasionaría
dificultades en la etapa previa de mecanizado y el aumento extra en la resistencia que
podría lograrse no lo justifica.
Características mecánicas logradas con la nitruración
A manera general podemos decir que con aceros de 0,4 a 0,5% C y revenidos a
temperaturas del orden los 550°C se obtienen núcleos de alta resistencia. Para el caso de
desear sacrificar algo de resistencia a cambio de tenacidad se deben emplear aceros de
menor contenido de carbono y temperaturas de alrededor de 680 a 700°C en el revenido.
En este punto debemos decir que la temperatura de revenido no debe ser nunca inferior a
la temperatura alcanzada durante la nitruración, pues de ser así durante el nitrurado se
alteraría las propiedades del núcleo conseguidas en el revenido.
Para la capa como dijimos su dureza puede variar desde 600 HV hasta 1100 HV
dependiendo de la composición química del acero. Estos valores de dureza otorgan a las
piezas nitruradas excelentes características para el desgaste.
Resistencia al desgaste
Profundidad de la capa Dureza de la capa
Figura B.2.1
Resistencia al desgaste

10. El desempeño frente al desgaste mejora a medida que aumenta el espesor de la capa y su
dureza (ver figura B.2.1).
Como elemento extra pero no por ello menos relevante, las piezas nitruradas presentan
un incremento de su resistencia a la fatiga respecto a la misma pieza sin nitrurar. Más
importante aún es que prácticamente desaparece la sensibilidad a la entalla del acero
(figura B.2.2). Este beneficio es atribuido a los sistemas de tensiones residuales de
compresión introducidos en la superficie como consecuencia de un aumento de volumen
producto de la nitruración de la capa ver.
Ciclos para la falla
Figura B.2.2
Tensión máxima (psi)
Capa nitrurada
Como todo proceso gobernado por la difusión en estado sólido la profundidad de las capas
nitruradas depende de la temperatura y el tiempo de permanencia a la misma (ver figura
B.2.3).
Profundidad (pulgadas x 10-3)
Figura B.2.3
HR15N
Los espesores de capa normalmente oscilan entre 0,2 a 0,5 mm. Al observar las curvas de
la figura B.2.3 podemos concluir dos cosas:
o La máxima dureza se obtiene un poco por debajo de la superficie.
o También podemos ver que en cortos tiempos de tratamiento se logran las
máximas durezas y que para períodos más prolongados se incrementa la
profundidad de la capa dura.

11. Historia
La acción endurecedora del nitrógeno en los aceros es conocida desde mediados del siglo
XIX. No obstante la fragilidad de la estructura obtenida en la capa hacia poco atractivo su
empleo.
Más tarde el francés Braune, a principio de siglo XX descubre que la razón de la fragilidad
de las capas nitruradas era debido a la presencia de un constituyente del tipo eutectoide
formado por una mezcla de hierro alfa (ferrita) y el nitruro de hierro Fe4N. Años más tarde
dicho eutectoide fue denominado “Braunita” en homenaje a su descubridor.
No fue sino hasta el año 1923 que Fry determina que el origen de la existencia de la
braunita en las capas nitruradas era debido a las altas temperaturas empleadas hasta
entonces durante el tratamiento. Para ello trazó el diagrama de equilibrio de fases Fe-N y
estableció que, si la incorporación de nitrógeno se llevaba a cabo por debajo de los 590°C
se evitaba la aparición de la braunita. En su lugar se lograba una solución sólida de
hierro-carbono-nitrógeno (a) con finos precipitados de nitruro de hierro (Fe4N). El
aumento de dureza se atribuye a la deformación de la matriz por parte de estas
pequeñísimas partículas.
Finalmente podemos considerar que el último gran salto cualitativo dado para alcanzar el
actual desarrollo del proceso fue el empleo de aceros con aleantes formadores de nitruros
en lugar de aceros al carbono ordinarios. Estos nitruros otorgan mayores durezas a las
capas nitruradas
Breve análisis teórico
Para ello nos vamos a ayudar del diagrame de equilibrio Fe-N (figura B.2.4). En él se
observan dos nitruros como fases estables además de la solución sólida hierro – nitrógeno
(a):
Fe2N (11,3% N)
Fe4N (5,8% N)
También el sistema posee un eutectoide mezcla de Fe4N(γ´) y a (solución sólida de hierro-nitrógeno)
llamado braunita. La temperatura eutectoide es de 590°C y la solubilidad del
nitrógeno en el hierro es de 0,42% a 590°C y de 0,001 % a temperatura ambiente.
Figura B.2.4

12. En función de la temperatura alcanzada durante el tratamiento se puede ver en la figura
B.2.5 que la capa dura puede estar formada por diferentes fases.
Figura B.2.5
La presencia de fases como los nitruros de hierro Fe2N y Fe4N o el constituyente braunita
le otorgan a la capa algo de dureza pero resultan muy frágiles y por lo tanto de poca
aplicación. La disminución de la temperatura de nitruración por debajo de la eutectoide
impide la formación de la braunita y la cantidad de nitrógeno disuelto es baja.
De esta forma la capa dura en un acero ordinario posee una estructura de ferrita con
agujas de nitruros Fe4N en borde de grano. La dureza obtenida es relativamente baja y la
tenacidad también.
Cuando el acero posee aleantes formadores de nitruros se logran capas duras y bien
adheridas. Los nitruros formados por ser insolubles en la matriz son precipitados de
manera inmediata y muy dispersa. De esta manera su presencia deforma la red y
ocasiona un endurecimiento de la misma. La presencia de nitruros insolubles en la capa
durante el tratamiento llega a saturar el acero formándose una barrera de nitruros que
deforman la red de tal forma que se oponen a la penetración de más nitrógeno hacia el
interior. Por otro lado en cambio los nitruros de hierro si son solubles en un gran
porcentaje en ferrita a la temperatura de tratamiento y por lo tanto al no deformar la red
permitan una mayor penetración del nitrógeno, no obstante no es posible alcanzar los
mismos niveles de dureza. Entre los elementos aleantes utilizados podemos mencionar
aluminio, cromo, vanadio y molibdeno.
Resumen del proceso
La nitruración se lleva a cabo cuando, a la temperatura de tratamiento (490°C a 550°C),
el nitrógeno en estado atómico es puesto en contacto con el acero. En ese instante el
nitrógeno comienza a difundir hacia el interior de la pieza, combinándose con el hierro y
los otros aleantes para formar los nitruros submicroscópicos responsables del
endurecimiento de la capa.
El nitrógeno se obtiene a partir de la disociación de amoniaco (NH3) en nitrógeno e
hidrógeno atómicos como consecuencia de la alta temperatura y la presencia del hierro.
Sólo una pequeña fracción del nitrógeno atómico difunde hacia el interior de la pieza para
formar nitruros, el resto se combina para transformarse en nitrógeno molecular N2.
Problemas del nitrurado
· Decarburización: los mejores resultados se logran cuando la nitruración se lleva a
cabo sobre una estructura de martensita revenida. Las características mecánicas
de la capa empeoran con estructuras mixtas como ser ferrita y perlita.

13. Procesos preliminares como forja, laminado, recocidos o el mismo temple previo a
la nitruración pueden causar la descarburación superficial de la pieza y por lo
tanto una estructura inadecuada para recibir la nitruración.
El mismo proceso de nitrurado puede ser responsable de la decaburización de la
pieza. Esto es debido a la presencia de hidrógeno atómico en la atmósfera y es la
causa responsable de que en muchos casos la máxima dureza no se obtiene en la
superficie sino a unas milésimas por debajo de la misma.
· Fragilidad del revenido: debido a que el tratamiento de nitruración se lleva a cabo
a temperaturas entre 500°C y 600°C es posible que el acero sufra lo que
técnicamente se denomina “fragilidad del revenido” en el núcleo central. Una
forma de contrarrestar este problema es a través de la utilización de aceros con
un alto contenidote molibdeno (0,2% a 1,0 %).
Ventajas de la nitruración
· Capas de gran dureza
· Muy buena resistencia a la corrosión (sobretodo a la ambiental)
· Ausencia de deformaciones: motivado por bajas temperaturas de tratamiento,
bajas velocidades de enfriamiento y por que la pieza no experimenta
transformaciones de fase en estado sólido. Esto significa que las piezas nitruradas,
salvo casos muy particulares, no necesitan de un mecanizado posterior para
ajustar tolerancias.
· Posibilidad de lograr endurecimientos localizados
· Retención de la dureza a elevadas temperaturas (cercanas a la alcanzada durante
el nitrurado). Esto se debe a la estabilidad de los nitruros formados (Figura B.2.6).
Figura B.2.6
Desventajas de la nitruración
· Alto costo de los aceros
· Instalaciones más sofisticadas y que requieren de un control más estricto.
· Utilización de atmósferas más peligrosas (potencialmente explosivas por la
presencia de hidrógeno).
Bibliografía
Apraiz Barreiro. Tomo “Aceros especiales”
Apraiz Barreiro. Tomo “Tratamientos Térmicos”
Sydney Avner. “Introducción a la metalurgia física”