Cromado por difusión de acero: enriquecimiento de superficies con cromo mediante difusión, proceso, propiedades y aplicaciones.

Cromado por difusión es un proceso tratamiento termoquímico Consiste en saturar la capa superficial del material. cromo Cr a temperaturas elevadas. A diferencia de la galvanoplastia, no implica depositar una capa de cromo acabada sobre la superficie. Los átomos de cromo se difunden en el material y forman un enlace con el sustrato. capa de difusión con una composición química y una microestructura que cambian gradualmente.
El propósito del recubrimiento por difusión de cromo es principalmente aumentar resistencia a la oxidación, corrosión a altas temperaturas, ambientes agresivos y, en materiales y condiciones adecuadamente seleccionados, resistencia al desgaste..
El proceso se utiliza principalmente para acero y otras aleaciones sobre una matriz. plancharSin embargo, las tecnologías de enriquecimiento superficial por difusión con cromo también pueden utilizarse para otros materiales metálicos.

¿Qué es el cromado por difusión?

Durante el proceso, la superficie de la pieza de trabajo se encuentra en un entorno que proporciona actividad cromo.
A una temperatura suficientemente alta ocurre lo siguiente:

1. producción de formas activas de cromo en el entorno del proceso,
2. transporte de cromo a la superficie pieza de trabajo,
3. adsorción de cromo en la superficie,
4. difusión de átomos de cromo en el material,
5. creación de una capa enriquecida con cromo y, dependiendo de la composición del material, las fases y los compuestos adecuados.

Dado que el mecanismo básico del crecimiento de la capa es la difusión, sus propiedades dependen principalmente de la temperatura, el tiempo, la actividad del cromo en el entorno y la composición química del material del sustrato.

Cromado por difusión y cromado electrolítico

El cromado por difusión no debe confundirse con la galvanoplastia clásica.

La diferencia más importante es que, tras el cromado por difusión, el cromo no solo forma una capa separada que se encuentra sobre la superficie, sino que se convierte en un componente químico de la capa del material.

¿Por qué el cromo aumenta la resistencia superficial?

Cromo Es uno de los elementos más importantes que se utilizan para aumentar la resistencia del acero a la oxidación y la corrosión.
Con un contenido de cromo suficientemente alto, puede formarse una capa densa de óxido de cromo (Cr) en la superficie.₂O₃, lo que limita el transporte adicional de oxígeno y componentes ambientales al material.
Este mecanismo es una de las principales razones de la alta resistencia a la oxidación de muchos acero inoxidable, acero resistente al calor y aleaciones con alto contenido de cromo.
El cromado por difusión permite obtener un alto contenido de cromo, principalmente en la capa superficial, sin necesidad de fabricar el elemento completo a partir de un material de alta aleación.

Estructura de la capa de cromo por difusión

La estructura de la capa depende en gran medida del contenido. carbón en el material del sustrato.
En los aceros con bajo contenido de carbono, puede formarse una capa de solución sólida rica en carbono. cromo.
En los aceros que contienen mayores cantidades de carbono, el cromo puede reaccionar con el carbono y formar carburos de cromo.
Las fases que se presentan en los sistemas Fe–Cr–C incluyen, entre otras, carburos de los siguientes tipos:

• Cr₂₃C₆,
• Cr₇C₃,
• carburos complejos que también contienen hierro.

Por lo tanto, las propiedades de la capa después del cromado por difusión pueden variar mucho dependiendo de la composición del material.

Cromado por difusión de aceros con bajo y alto contenido de carbono.

Por este motivo, el término "capa cromada por difusión" no implica una microestructura idéntica para todos los grados de acero.

Temperatura de cromado por difusión

El cromado por difusión requiere una temperatura relativamente alta debido a la velocidad de difusión. cromo El material debe contener la cantidad suficiente para producir una capa útil.
Dependiendo de la tecnología, el material y la capa requerida, el proceso puede llevarse a cabo en un amplio rango de temperaturas, a menudo alrededor de 850-1100 ° C.
La temperatura exacta debe seleccionarse de acuerdo con:

• tipo de material,
• profundidad de capa requerida,
• métodos de cromado,
• tiempo de procesamiento,
• composición del entorno de cromado,
• microestructura central requerida,
• más tratamiento térmico.

Las altas temperaturas aceleran la difusión, pero al mismo tiempo pueden provocar cambios en la estructura del núcleo, el crecimiento de los granos y la deformación de los elementos.

El efecto del tiempo en el crecimiento de las capas

El cromado por difusión es un proceso controlado en gran medida por la difusión.
A medida que pasa el tiempo, aumenta la profundidad del enriquecimiento del material. cromoSin embargo, el crecimiento de las capas no suele ser lineal a lo largo del tiempo.
Para muchos procesos de difusión, la relación puede describirse aproximadamente mediante la ley parabólica:

en la que:

• x – espesor característico de la capa de difusión,
• k – un factor que depende, entre otras cosas, de la temperatura y la composición del material,
• t – tiempo de prueba.

En la práctica, la cinética puede ser más compleja, especialmente cuando se forman distintas fases de carburo durante el proceso.

Métodos de cromado por difusión

El cromo puede ser introducido en la superficie mediante diversos métodos.

Uno de los métodos clásicos es la tecnología de cementación en paquete , en la que la pieza de trabajo se coloca en una mezcla de polvo que contiene una fuente de cromo y un activador que permite su transporte.

Cromado mediante el método de cementación en polvo.

En el proceso de cementación en paquete , el elemento está rodeado por una mezcla de polvo que contiene:

• fuente cromo,
• un activador que permite el transporte del ingrediente,
• Relleno inerte que limita la sinterización de la mezcla.

Durante el calentamiento, se forman compuestos volátiles que transportan el cromo hacia la superficie del material.
En la superficie se producen reacciones que dan lugar a la liberación de cromo activo, el cual posteriormente se difunde en el sustrato.
Este proceso es un ejemplo Transporte químico en fase gaseosa combinado con difusión en estado sólido.

Cromado por difusión y resistencia a la oxidación

Una de las aplicaciones más importantes del recubrimiento por difusión de cromo es aumentar la resistencia del material a la oxidación a altas temperaturas.
La zona es rica en cromo puede formar una capa protectora rica en Cr₂O₃.
Esta capa limita la velocidad:

• transporte de oxígeno al material,
• transporte de iones metálicos hacia la superficie,
• mayor crecimiento de la escala.

Esto permite que la tasa de oxidación sea significativamente menor que la del acero sin protección con bajo contenido de cromo.

Cromado por difusión y resistencia a la corrosión

Enriquecimiento de la superficie en cromo También puede mejorar la resistencia a muchos entornos corrosivos.
Sin embargo, la efectividad depende de:

• contenido de cromo en la capa,
• continuidad y microestructura de la capa,
• presencia de carburos,
• tipo de entorno,
• temperaturas de funcionamiento,
• estado de la superficie.

El cromado no debe considerarse una protección universal contra todo tipo de corrosión. El recubrimiento debe diseñarse para un entorno operativo específico.

Cromado por difusión y resistencia al desgaste

En aceros con el contenido apropiado carbón El cromo puede formar carburos duros, por lo que el recubrimiento por difusión de cromo puede aumentar significativamente dureza superficial y resistencia al desgaste.
Las fases de carburo duro del tipo Cr son de particular importancia.₇C₃ y Cr₂₃C₆.
Sin embargo, las propiedades tribológicas dependen de la estructura completa de la capa, su espesor, la dureza del sustrato y el tipo de mecanismo de desgaste que se produzca.

El efecto del carbono en el recubrimiento por difusión de cromo

Carbón es uno de los componentes más importantes que influyen en la estructura de la capa de cromo.
El cromo es un elemento con gran capacidad para formar carburos.
Si el material contiene suficiente carbono, durante el proceso pueden formarse carburos de cromo.
Esto puede aumentar la dureza y la resistencia a la abrasión, pero al mismo tiempo limita la cantidad de cromo que permanece en solución sólida.
Por lo tanto, una capa diseñada principalmente para la resistencia a la corrosión y la oxidación puede requerir una estructura diferente a la de una capa diseñada principalmente para la resistencia al desgaste.

Influencia de los elementos de aleación

Cromado por difusión y aceros inoxidables y resistentes al calor.

El mecanismo de protección de la capa rica en cromo es similar a uno de los mecanismos básicos que proporcionan resistencia. aceros inoxidables y resistentes al calor.
En aceros con alto contenido de cromo, el contenido apropiado cromo ocurre en todo el volumen del material.
En el cromado por difusión, el alto contenido de cromo se crea principalmente en la superficie.
Esto permite combinar las propiedades fundamentales de la pieza fabricada con las propiedades químicas y de alta temperatura de la capa superficial modificada.
Esto no significa, sin embargo, que el acero cromado sea equivalente al acero inoxidable o al acero resistente al calor en todos los aspectos. La composición y las propiedades fundamentales siguen siendo esencialmente las del material de partida.

Cromado y boruración por difusión

La boruración y la cromización por difusión son procesos de saturación superficial por difusión, pero dan lugar a la formación de fases diferentes y se utilizan para fines distintos.

Cromado y nitruración por difusión

W nitruración La superficie está enriquecida principalmente en nitrógeno, mientras que durante el cromado por difusión – en cromo.
La nitruración se suele realizar a una temperatura mucho más baja y es especialmente eficaz para aumentar la dureza superficial, la resistencia al desgaste y la resistencia a la fatiga.
El cromado por difusión requiere una temperatura más alta, pero permite un cambio fundamental en la composición química de la superficie en la dirección característica de los materiales con alto contenido de cromo.

Cromado por difusión y carburación

mientras carburación se introduce en la capa superficial carbónDespués de más tarde endurecimiento Esto permite obtener una capa martensítica dura manteniendo un núcleo más dúctil.
Por otro lado, el cromado por difusión utiliza cromo y puede dar lugar a la formación de una capa resistente a la oxidación, la corrosión o el desgaste.
En los aceros al carbono, el cromo y el carbono pueden trabajar juntos para formar fases de carburo muy duras.

Cromado por difusión y nitrocarburación

Durante la nitrocarburación la superficie se enriquece principalmente en nitrógeno y además carbónEste proceso se suele llevar a cabo a una temperatura mucho más baja que la del cromado por difusión.
La nitrocarburación se utiliza principalmente para mejorar las propiedades tribológicas, la resistencia al agarrotamiento y a la fatiga y, en las variantes adecuadas, la resistencia a la corrosión.
El cromado por difusión resulta especialmente interesante cuando es crucial obtener un alto contenido de cromo en la superficie y lograr resistencia a la oxidación y a la corrosión a altas temperaturas.

Aplicación del cromado por difusión

Este proceso puede utilizarse para piezas que operan en entornos donde se requiere una mayor resistencia superficial.
Las aplicaciones típicas incluyen:

• elementos de hornos industriales,
• partes de dispositivos que funcionan a altas temperaturas,
• elementos de instalaciones químicas,
• válvulas y piezas de conexión,
• elementos expuestos a oxidación a alta temperatura,
• piezas que operan en atmósferas químicamente agresivas,
• elementos expuestos al desgaste si la capa generada contiene fases de carburo duro,
• Herramientas y piezas de maquinaria seleccionadas.

Ventajas del cromado por difusión

• unión metalúrgica de la capa al sustrato,
• falta del límite nítido clásico característico de muchos recubrimientos depositados,
• mayor resistencia a la oxidación a altas temperaturas,
• posibilidad de mejorar la resistencia a la corrosión,
• la posibilidad de obtener una alta resistencia al desgaste en capas que contienen carburos de cromo,
• la posibilidad de combinar un material de núcleo más económico o más duradero con una superficie rica en cromo.

Limitaciones del cromado por difusión

• alta temperatura del proceso,
• Se requiere un tiempo relativamente largo para obtener la profundidad de difusión adecuada.
• posibilidad de cambiar la microestructura del núcleo,
• riesgo de crecimiento de los granos,
• posibilidad de deformación de los elementos,
• fuerte dependencia de la estructura de capas con respecto al contenido carbón,
• la necesidad de controlar con precisión la temperatura, el tiempo y la actividad del entorno de cromado.

Control de calidad de la capa de difusión de cromo

La evaluación de la eficacia del proceso puede incluir:

• medición del espesor de la capa de difusión,
• examen metalográfico,
• análisis de la distribución de contenido cromo en función de la distancia desde la superficie,
• identificación de fases y carburos,
• medición microdureza,
• pruebas de resistencia a la oxidación,
• pruebas de resistencia a la corrosión,
• pruebas de resistencia al desgaste, si este es el objetivo principal del proceso.

La mera presencia de cromo en la superficie no es un criterio suficiente para un correcto funcionamiento del proceso. El perfil de concentración de cromo, la profundidad de la capa, su microestructura y las propiedades correspondientes a las condiciones de funcionamiento reales del componente también son importantes.

Cromado: comparación con otros procesos de tratamiento termoquímico

El cromado por difusión es un proceso de tratamiento termoquímico que consiste en el enriquecimiento por difusión de la capa superficial del material en cromo.
A diferencia del galvanizado, el cromado no solo crea un recubrimiento superficial. El cromo se difunde en el material, creando una capa que se une metalúrgicamente al sustrato.
En los aceros con bajo contenido de carbono, la capa puede ser principalmente una solución Fe-Cr rica en cromo, pero con una disponibilidad creciente carbón La importancia de los carburos de cromo duros aumenta.
Gracias a esto, el recubrimiento por difusión de cromo se puede diseñar para aumentar resistencia a la oxidación y a la corrosión a altas temperaturas, así como – en arreglos materiales apropiados – dureza y resistencia al desgaste.
El proceso requiere una temperatura relativamente alta y un tiempo consecuentemente prolongado, por lo que al diseñar la tecnología es necesario tener en cuenta no solo las propiedades de la capa, sino también los posibles cambios en la microestructura y las propiedades del núcleo.

Métodos de tratamiento térmico y termoquímico del acero

El cromado es solo uno de los procesos utilizados para modificar la microestructura y las propiedades del acero. Según el efecto deseado, también se emplean procesos como la normalización, el alivio de tensiones, el endurecimiento, el revenido, etc., así como procesos termoquímicos como la carburación, la nitruración y otros.

Métodos de tratamiento térmico del acero

• Acero normalizado – refinamiento del grano y unificación de la microestructura.
• Wyżarzanie odprężające – reducción de tensiones residuales.
• Ablandamiento del acero – reduciendo la dureza y mejorando la susceptibilidad a un procesamiento posterior.
• Recocido completo – austenización y enfriamiento lento.
• Recocido isotérmico – transformación realizada manteniendo la temperatura adecuadamente seleccionada.
• Recocido de bolas – esferoidización – cambio en la morfología de la cementita u otros carburos.
• Recocido de recristalización – Eliminación de los efectos de la compresión y restauración de la plasticidad.
• Recocido homogeneizador – reducir la segregación y homogeneizar la composición del material.
• Endurecimiento y tratamiento térmico – modelar la microestructura y las propiedades mediante el endurecimiento y el revenido.
• Acero templado – Modificación controlada de las propiedades del acero después del endurecimiento.
• Endurecimiento por inducción – Calentamiento por inducción superficial y enfriamiento rápido.
• Endurecimiento a la llama – endurecimiento superficial tras calentamiento localizado con llama.
• Sobresaturación – obtención de una solución sólida sobresaturada mediante un ciclo térmico adecuado.
• Envejecimiento – Separación de fases controlada que conduce al fortalecimiento del material.

Métodos de tratamiento termoquímico del acero

• Nitruración del acero – Enriquecimiento por difusión de la capa superficial con nitrógeno.
• Acero carburizado – Enriquecimiento por difusión de la superficie con carbono.
• Carbonitruración – Enriquecimiento simultáneo de la capa superficial con carbono y nitrógeno.
• Nitrocarburación / nitrocarburación – Enriquecimiento de la capa principalmente con nitrógeno y carbono.
• Perforación – saturación por difusión de la superficie con boro.
• Cromado por difusión – Enriquecimiento por difusión de la capa con cromo.
• aluminización por difusión – Enriquecimiento por difusión de la capa en aluminio.