Vistas:0 Autor:Editor del sitio Hora de publicación: 2025-10-15 Origen:Sitio
El tratamiento de superficies es una disciplina de ingeniería de precisión que modifica las 1 a 3 capas moleculares superiores de un material para impartir propiedades funcionales específicas sin alterar las características del material en bruto. Lejos de ser un mero 'recubrimiento', el tratamiento de superficies moderno es una intervención química, física o térmica controlada que manipula la energía, la morfología y la composición de la superficie para lograr resultados de rendimiento específicos.
En esencia, el tratamiento de superficies aborda un desafío fundamental: la mayoría de los materiales tienen propiedades superficiales subóptimas para las aplicaciones previstas . El aluminio ofrece una excelente relación resistencia-peso, pero se corroe. Los polímeros son livianos pero tienen baja energía superficial, lo que impide la unión adhesiva. El acero es fuerte pero vulnerable a la oxidación. El tratamiento de la superficie cierra esta brecha al diseñar una interfaz que funciona exactamente como se requiere.
La distinción fundamental radica en la modificación de la superficie frente a la modificación en masa : los tratamientos como la nitruración afectan sólo a micrómetros de profundidad, preservando las propiedades mecánicas centrales del material y transformando al mismo tiempo su interacción con el medio ambiente. Esta ingeniería de interfaz es esencial para la adhesión, la protección contra la corrosión, la resistencia al desgaste, la conductividad eléctrica y el acabado estético.
La falla de la adhesión se debe a una energía superficial inadecuada. Las gotas de agua gotean sobre polipropileno sin tratar (baja energía superficial ≈ 30 mN/m) pero se esparcen sobre superficies tratadas con plasma (alta energía ≈ 72 mN/m). La ecuación de Young-Dupré rige esto: una mayor energía superficial promueve la humectación a nivel molecular, lo que permite que los adhesivos y recubrimientos formen enlaces covalentes fuertes en lugar de una adhesión mecánica débil.
Umbral crítico : la mayoría de los recubrimientos industriales requieren una energía superficial >38 mN/m para una humectación adecuada. Los metales no tratados suelen medir entre 20 y 25 mN/m debido a la contaminación orgánica, lo que requiere tratamientos de activación.
La corrosión es una celda electroquímica: ánodo (disolución de metal) y cátodo (reducción de oxígeno) separados por un electrolito. Los tratamientos superficiales alteran esta célula al:
Protección de barrera : Los recubrimientos de zinc (galvanización) se corroen sacrificialmente antes que el acero.
Pasivación : las capas de cromato crean una película protectora de Cr₂O₃, lo que aumenta el potencial de corrosión.
Inhibición : Los recubrimientos de fosfato bloquean los sitios catódicos, lo que reduce la densidad de la corriente de corrosión en más del 90 %.
Recubrimientos líquidos (pintura)
Las pinturas modernas para automóviles son sistemas multicapa (electrocapa → imprimación → capa base → capa transparente) con un total de 100-150 µm. El recubrimiento por electrodeposición (e-coat) utiliza cargas eléctricas opuestas para depositar imprimación epoxi con una eficiencia de transferencia del 95 %, logrando una cobertura uniforme en geometrías complejas y una resistencia a la niebla salina de más de 1000 horas.
Recubrimiento en polvo
La deposición por pulverización electrostática logra una utilización del material del 98 % frente al 30-40 % de la pintura líquida. Los polvos termoestables (epoxi, poliéster) curan a 180-200°C, formando redes reticuladas con dureza de lápiz 2H-3H y excepcional resistencia a los rayos UV. Los avances recientes incluyen polvos de bajo curado (150°C) para sustratos sensibles al calor.
Tecnologías de revestimiento
Galvanoplastia : la corriente continua reduce los iones metálicos (Ni, Cr, Zn) en las piezas catódicas. El control del espesor es preciso (±0,5 µm), pero el riesgo de fragilización por hidrógeno requiere un horneado posterior a la placa a 200 °C durante más de 4 horas para acero de alta resistencia.
Revestimiento no electrolítico : la deposición autocatalítica (p. ej., níquel no electrolítico) proporciona un espesor uniforme en orificios ciegos y geometrías complejas sin corriente externa. El contenido de fósforo (bajo 2-5%, medio 6-9%, alto 10-13%) controla la dureza (500-700 HV) y la resistencia a la corrosión.
Galvanizado en caliente : la inmersión en zinc fundido a 450 °C crea una capa de aleación metalúrgica de Fe-Zn (de 50 a 150 µm de espesor). El acero galvanizado (recubrimiento aleado) ofrece una soldabilidad y adhesión de pintura superiores para paneles de carrocería de automóviles.
Anodizado (aluminio, titanio, magnesio)
La oxidación electrolítica en ácido sulfúrico genera una capa nanoporosa de Al₂O₃ (de 5 a 100 µm de espesor). El anodizado tipo II (10-25 µm) proporciona protección contra la corrosión y receptividad al colorante; La capa dura tipo III (50-100 µm) logra una dureza Rockwell C de 60-70 para aplicaciones de desgaste. El sellado de poros en agua hirviendo o acetato de níquel atrapa los tintes y mejora la resistencia a la corrosión.
Fosfatado (acero/zinc)
La inmersión en ácido fosfórico diluido crea recubrimientos cristalinos de fosfato de zinc/manganeso/hierro (1-10 µm). Estos proporcionan:
Anclaje de adhesión de pintura : mejora del 200-300 % en la adhesión de rayado cruzado
Resistencia a la corrosión : niebla salina de 24 a 48 horas hasta óxido blanco.
Lubricidad : Reduce el coeficiente de fricción en un 30% en operaciones de embutición profunda.
Cromatado (aluminio/zinc)
La conversión química utilizando cromo hexavalente o trivalente forma una película pasiva de Cr⊃2;O⊃3; (0,1-1 µm). A pesar de las restricciones de RoHS sobre el Cr hexavalente, los cromatos trivalentes ofrecen una resistencia a la niebla salina de más de 72 horas para sujetadores galvanizados.
Nitruración/Nitrocarburación
La difusión de nitrógeno en el acero a 500-600°C crea una capa de nitruro de hierro duro (10-50 µm, >900 HV). La nitruración por plasma utiliza amoníaco ionizado para un control preciso de la zona, tratando solo las superficies de desgaste críticas y enmascarando otras.
Endurecimiento por inducción
El calentamiento por inducción de alta frecuencia (10-400 kHz) austeniza rápidamente las capas superficiales (de 2 a 8 mm de profundidad), seguido del enfriamiento con agua. Esto produce una dureza de 55-62 HRC en los muñones del cigüeñal mientras que el núcleo permanece dúctil (30-35 HRC).
Tratamiento térmico con láser
Los rayos láser enfocados (2-10 kW) escanean superficies a 10-50 mm/s, creando zonas endurecidas de 0,5-2 mm de profundidad en los dientes de los engranajes. Ventaja : El tratamiento localizado elimina la distorsión; no se requiere postmecanizado.
Granallado abrasivo (grano/perdigones)
El granallado con óxido de aluminio (malla 20-100) crea un perfil Ra de 50-100 µin para la adhesión del recubrimiento. La presión (60-100 PSI) y el ángulo de la boquilla (60-75°) controlan la profundidad del perfil.
El granallado con perdigones de acero fundido (S170-S780) induce tensión residual de compresión (-500 a -800 MPa), lo que mejora la vida útil entre 3 y 5 veces. La intensidad de la tira Almen (0,008-0,024 A) cuantifica la energía de granallado.
Acabado en masa
Los cuencos vibratorios con medios cerámicos desbarban y pulen piezas complejas. El superacabado isotrópico reduce la rugosidad de la superficie de 16 µin Ra a 2-4 µin Ra, lo que reduce la fricción y el desgaste en los engranajes.
Tratamiento con plasma
Plasma atmosférico : el aire ionizado a 10-50 kV elimina la contaminación orgánica y eleva la energía superficial a >72 mN/m en segundos. Ideal para el pretratamiento de polímeros en línea antes de la unión adhesiva.
Plasma de baja presión : el vacío (0,1-1 mbar) con mezclas de gases Ar/O₂ permite una limpieza profunda y funcionalización de superficies para la unión de dispositivos médicos.
Tratamiento Corona
La descarga de alta frecuencia (15-25 kHz) a través de un dieléctrico crea ozono y radicales, oxidando las superficies del polímero. Limitación : Trata sólo superficies planas/curvas; Los sistemas de manipulación de bobinas tratan películas a 100-300 m/min.
Ablación/estructuración por láser
Los láseres de femtosegundo crean micro/nanotexturas (estructuras superficiales periódicas inducidas por láser, LIPSS) que aumentan el área de superficie entre 10 y 100 veces y promueven el entrelazado mecánico. Utilizado sobre implantes de titanio para osteointegración.
Los vehículos modernos requieren entre 10 y 15 tratamientos superficiales diferentes por vehículo:
Paneles de la carrocería : El acero galvanizado con NIT (nuevo tratamiento mejorado) proporciona un coeficiente de fricción de 0,08 a 0,12 para embutición profunda, lo que reduce los costos de lubricante del taller de prensas en un 40 %.
Campanas de aluminio : el pretratamiento a base de Zr (TecTalis) reemplaza los fosfatos, logrando una niebla salina de más de 240 horas con un 50 % menos de residuos de lodos.
Gabinetes de batería : Los marcos de aluminio tratados con plasma garantizan una unión adhesiva epoxi con una resistencia al corte de >30 MPa.
Sujetadores : El revestimiento de aleación de Zn-Ni (12-15 % Ni) cumple con los requisitos NSS de 720 horas para aplicaciones debajo de la carrocería.
Sujetadores de titanio : Anodizado según AMS 2488D para reemplazo de cadmio, logrando una niebla salina de 96 horas.
Tren de aterrizaje : la nitruración por plasma a baja presión crea una profundidad de caja de 50 µm con un cambio dimensional de <0,005'
Unión compuesta : el tratamiento con plasma atmosférico de la fibra de carbono aumenta la energía superficial de 28 a 68 mN/m, lo que elimina los fallos de pelado.
Componentes del motor : Los revestimientos de barrera térmica (TBC) que utilizan deposición física de vapor por haz de electrones (EB-PVD) sobreviven temperaturas de turbina de 2000 °F
Conectores de PCB : El baño de oro (0,05-0,76 µm de espesor según MIL-G-45204) garantiza una conductividad confiable después de más de 500 ciclos de acoplamiento
Disipadores de calor : el anodizado negro aumenta la emisividad a 0,85, lo que mejora la disipación térmica en un 25 %.
Blindaje EMI : el revestimiento de cobre no electrolítico (1-2 µm) sobre carcasas de plástico logra una atenuación de 80 dB a 1 GHz
Unión de pantallas : el tratamiento del vidrio con ozono UV elimina las sustancias orgánicas antes de la laminación con adhesivo ópticamente transparente (OCA), lo que elimina los defectos de burbujas.
Instrumentos quirúrgicos : La pasivación según ASTM A967 (ácido cítrico) elimina el hierro libre, evitando la corrosión en los ciclos de autoclave.
Implantes de titanio : el tratamiento térmico alcalino crea una nanotopografía que acelera la osteointegración en un 40%
Bandejas de acero inoxidable : el electropulido reduce Ra a 0,1 µin, eliminando los sitios de adhesión bacteriana y facilitando la validación de la limpieza.
Unión de catéteres : el tratamiento con plasma de los ejes de PTFE permite la unión con adhesivo UV para las uniones de puntas
| Factor | Conversión de recubrimiento | Tratamiento | térmico | Aspecto | mecánico |
|---|---|---|---|---|---|
| Objetivo principal | Corrosión + Estética | Adhesión + Corrosión Ligera | Resistencia al desgaste | Alivio del estrés + limpieza | Activación de adhesión |
| Material | todos los metales | Al, Zn, Mg, Ti | Aleaciones ferrosas | Todos los metales/polímeros | Polímeros, compuestos. |
| Grosor añadido | 20-150 micras | 0,1-50 micras | 0,5-8 mm (caja) | 0 (elimina 1-10 µm) | 0 (modifica <0,1 µm) |
| Costo | $0.50-$5/pie⊃2; | $0.10-$1/pie⊃2; | $0.50-$3/libra | $0.20-$2/pie⊃2; | $0.05-$0.50/parte |
| Ambiental | Preocupaciones por los COV | Metales pesados (Cr⁶+) | Intenso en energía | Polvo/vibración | Desperdicio mínimo |
| Tiempo de entrega | 1-3 días | 1-2 días | 3-7 días | el mismo dia | Capacidad en línea |
Árbol de decisión :
¿Necesita conductividad eléctrica? → Galvanoplastia (Cu, Ag, Au)
¿Problema de desgaste estructural? → Nitruración o endurecimiento por inducción
¿Pintar plásticos? → Tratamiento con plasma o corona
¿Corrosión del acero exterior? → Galvanizado en caliente
¿Inoxidable médico? → Pasivación + electropulido
Medición de energía superficial : la goniometría del ángulo de contacto (ASTM D5946) verifica la efectividad del tratamiento con plasma; objetivo <30° ángulo de contacto con el agua
Espesor del recubrimiento : corrientes de Foucault (0-50 µm) o inducción magnética (0-2000 µm) según ISO 2178
Prueba de adherencia : Prueba de cinta cruzada (ASTM D3359) para recubrimientos; cizalla de solapa (ASTM D1002) para adhesivos
Pruebas de corrosión : niebla salina (ASTM B117), corrosión cíclica (GMW 14872) y espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS)
Automotriz : IATF 16949, PPAP Nivel 3 con validación de adhesión de recubrimiento
Aeroespacial : AS9100, acreditación NADCAP para procesamiento químico
Médico : ISO 13485, validación IQ/OQ/PQ para procesos de pasivación.
Militar : MIL-STD-810, MIL-DTL-5541 para conversión de cromato
Química Verde
El cromo trivalente (Cr⊃3;⁺) reemplaza al hexavalente (Cr⁶⁺), lo que reduce los desechos cancerígenos en un 90 %.
Los pretratamientos a base de circonio (p. ej., Henkel Bonderite M-NT) eliminan los fosfatos, lo que reduce los costos de eliminación de lodos en un 50 %
Los recubrimientos en polvo curables por UV se curan a 120 °C, lo que reduce el consumo de energía en un 40 % en comparación con el curado térmico.
Control de procesos digitales
Los sensores de IoT monitorean la química del baño en tiempo real y dosifican automáticamente los químicos de reposición
Los sistemas de visión con IA detectan defectos en el recubrimiento (cráteres, poros) a la velocidad de la línea con una precisión del 99,5%
Las simulaciones de gemelos digitales optimizan los parámetros del tratamiento con plasma antes de las pruebas físicas, lo que reduce el tiempo de desarrollo en un 60 %.
Economía circular
Los sistemas de revestimiento de circuito cerrado recuperan el 95 % del arrastre, lo que reduce el uso de agua en un 80 %
El exceso de pintura en polvo es 98 % recuperable, lo que prácticamente elimina el desperdicio
El decapado por láser elimina los revestimientos viejos sin productos químicos, lo que permite la restauración de piezas
El tratamiento de superficies no es una ocurrencia cosmética de último paso: es una decisión de ingeniería estratégica que ocurre en la fase de selección de materiales. El tratamiento incorrecto puede costar millones en reclamaciones de garantía, mientras que el tratamiento correcto permite innovaciones de productos (VE más livianos, aviones más duraderos, dispositivos médicos más seguros).
Conclusiones clave :
Diseño para tratamiento de superficies : especifique los tratamientos durante el CAD, no después de la creación de prototipos.
Pruebe de forma sólida : valide con pruebas de vida aceleradas que imitan la exposición en el mundo real.
Monitoree continuamente : utilice medidores de calidad de la superficie para garantizar que la desviación del proceso no cause fallas en el campo.
Piense en el ciclo de vida : tenga en cuenta las regulaciones ambientales y el reciclaje al final de su vida útil
El futuro pertenece a la ingeniería de superficies inteligente y sostenible , donde el control de procesos basado en datos, productos químicos ecológicos y métodos de activación avanzados convergen para crear superficies que funcionan más allá de las expectativas.
El tratamiento de superficies es una disciplina de ingeniería de precisión que modifica las 1 a 3 capas moleculares superiores de un material para impartir propiedades funcionales específicas sin alterar las características del material a granel. A diferencia de los recubrimientos que agregan una capa distinta, los verdaderos tratamientos de superficie transforman la química, la morfología o el estado energético de la superficie existente.
Principio básico : es ingeniería de interfaz. Por ejemplo, el tratamiento con plasma bombardea una superficie de polímero con gas ionizado, rompiendo enlaces CH y formando grupos funcionales CO, CN y C-OH. Esto aumenta la energía superficial de 30 mN/m (PP sin tratar) a >72 mN/m, lo que permite la unión adhesiva sin agregar espesor mensurable.
Distinción clave : El tratamiento modifica el sustrato ; El recubrimiento se suma a esto. Esto es importante para la tolerancia dimensional, el ciclo térmico y el reciclaje: las piezas tratadas mantienen la identidad del material, mientras que las piezas recubiertas se convierten en compuestos de múltiples materiales.
Opera a través de cuatro mecanismos principales:
Modificación química : las reacciones de conversión crean nuevos compuestos. La anodización oxida el aluminio: 2Al + 3H₂O → Al₂O₃ + 6H⁺ + 6e⁻. La capa de Al₂O₃ resultante tiene un espesor de 10 a 100 µm y una estructura nanoporosa que se puede teñir o sellar.
Activación Física : La entrada mecánica o de energía cambia la topografía de la superficie. El granallado induce tensión residual de compresión (-500 a -800 MPa), creando una capa trabajada en frío que detiene la propagación de grietas, aumentando la vida útil a la fatiga entre un 300 y un 500 %.
Manipulación del estado energético : el tratamiento con plasma/corona aumenta la energía libre de la superficie mediante la creación de radicales libres reactivos. El proceso genera una superficie que 'moja' completamente, con un ángulo de contacto con el agua que cae de 90° a <30°.
Difusión y segregación : la carburación difunde el carbono en el acero a 900-950°C, creando una caja de 0,5-3 mm con un contenido de carbono de 0,8-1,2%. El enfriamiento lo transforma en martensita (superficie de 800 HV frente a núcleo de 250 HV), lo que produce una piel dura y resistente al desgaste sobre un núcleo resistente.
Esta clasificación binaria es simplista; La industria reconoce tres categorías principales :
1. Tratamiento superficial (sin cambio dimensional)
Pasivación : El ácido cítrico elimina el hierro libre del acero inoxidable, formando una película pasiva de Cr₂O₃ (ASTM A967).
Activación por plasma : aumenta la energía superficial sin eliminación ni adición de material.
Peening por choque láser : modificación de la tensión mecánica mediante ondas de presión de plasma
2. Modificación de la superficie (cambio químico, dimensión mínima)
Anodizado : convierte la superficie de aluminio en Al₂O₃ (+5-50 µm de espesor)
Nitruración : Difunde nitrógeno en el acero (+10-50 µm de capa blanca)
Grabado químico : disuelve selectivamente el material (tolerancia de ±5 µm)
3. Revestimiento de superficie (aditivo)
Galvanoplastia : Añade 5-50 µm de Ni, Cr, Zn
Pulverización térmica : genera 100-500 µm de WC-Co o Al₂O₃
PVD/CVD : Depósitos de 1 a 5 µm de TiN o DLC
La distinción es fundamental: los tratamientos preservan la geometría de la pieza ; Los recubrimientos requieren tolerancias de remecanizado.
El tratamiento térmico modifica toda la microestructura de la pieza mediante ciclos controlados de calentamiento y enfriamiento (recocido, templado, revenido). Un componente de acero templado está completamente endurecido y potencialmente se vuelve quebradizo.
El tratamiento superficial afecta sólo a la región cercana a la superficie (<3 mm de profundidad). Diferencias clave:
| del plasma | Tratamiento superficial | Tratamiento térmico |
|---|---|---|
| Profundidad | 0,1 micras - 3 mm | Sección transversal completa |
| Propiedades principales | Sin alterar | transformado |
| Riesgo de distorsión | Mínimo | Alto (apagado) |
| Entrada de energía | Localizado (láser, inducción) | A granel (horno) |
| Costo | $0.10-$5/pie⊃2; | $0.50-$3/libra |
Ejemplo : un engranaje requiere una superficie de 60 HRC para el desgaste pero un núcleo de 35 HRC para la dureza. El endurecimiento por inducción (tratamiento de superficie) calienta solo los dientes a 900 °C y los enfría, logrando una profundidad de caja de 2 a 8 mm. El endurecimiento total (tratamiento térmico) haría que todo el engranaje se volviera quebradizo y propenso a fracturarse.
El tratamiento superficial altera las propiedades del sustrato . El revestimiento de la superficie añade una capa distinta.
Implicaciones críticas :
Adhesión : Los recubrimientos dependen de la unión mecánica/química al sustrato tratado. Un revestimiento sobre una superficie de baja energía sin tratar (PP, PE) se deslaminará. El tratamiento garantiza que el sustrato esté 'listo' para el recubrimiento.
Modo de falla : La falla del recubrimiento es interfacial (descamación). El fracaso del tratamiento está relacionado con el sustrato (p. ej., la pasivación incompleta deja hierro libre que se corroe).
Espesor : Los recubrimientos añaden entre 10 y 500 µm, lo que afecta las tolerancias. Los tratamientos añaden <5 µm (anodizado) o ninguno (plasma).
Reciclaje : Los recubrimientos deben eliminarse (químico/método) antes del reciclaje. Las piezas tratadas son directamente reciclables.
Estructura de costos : los costos de recubrimiento aumentan con el área y el volumen del material. Los costos del tratamiento se basan en el tiempo del proceso.
Ejemplo : una bandeja médica de acero inoxidable se puede pasivar (tratamiento) para resistir la corrosión a $0,05/parte, o electropulir + pasivar (tratamiento) para obtener un acabado de espejo. Agregar cromo galvanizado (recubrimiento) costaría $2 por pieza y correría el riesgo de pelarse en los ciclos de autoclave.
Cuatro impulsores principales:
1. Protección del Medio Ambiente
Corrosión : El acero desnudo se corroe entre 0,1 y 0,5 mm/año en ambientes húmedos. La galvanización agrega una capa de sacrificio de Zn, lo que extiende la vida útil de 20 a 50 años.
Oxidación : El titanio forma una capa pasiva de TiO₂, pero a 500°C la oxidación se acelera. El anodizado espesa esta capa, lo que permite un servicio a 800 °C.
2. Desempeño funcional
Adhesión : El polipropileno sin tratar tiene una energía superficial de 30 mN/m; Los adhesivos epoxi requieren >45 mN/m. El tratamiento con plasma cierra esta brecha, logrando una fuerza de unión de 30 MPa.
Desgaste : El acero 4140 sin tratar se desgasta a 0,01 mm/1000 ciclos. La nitruración reduce esto a 0,001 mm/1000 ciclos.
3. Cumplimiento normativo
Biocompatibilidad : Los dispositivos implantables requieren el cumplimiento de la norma ISO 10993. La pasivación y la anodización garantizan que no se filtren iones citotóxicos.
Seguridad alimentaria : FDA 21 CFR exige que el acero inoxidable sea pasivado antes de entrar en contacto con los alimentos.
4. Valor económico
Evitación de costos : el tratamiento de un soporte de acero de $5 ($0,10/pasivación) evita un reclamo de garantía de $500 por oxidación.
Multiplicador de rendimiento : el texturizado láser de una carcasa de sensor automotriz de $20 aumenta la confiabilidad de la unión adhesiva del 85 % al 99,9 %, eliminando fallas en el campo.
Procesos que utilizan la fuerza física para modificar las propiedades de la superficie sin química ni calor:
Granallado : El bombardeo con medios esféricos (perdigones de acero fundido S170-S780) a 60-100 PSI induce tensión de compresión. La intensidad de Almen (0,008-0,024A) cuantifica la energía. La cobertura >100% garantiza una tensión uniforme. Se utiliza en resortes, engranajes y trenes de aterrizaje de aviones para aumentar la vida útil contra la fatiga entre 5 y 10 veces.
Acabado en masa : los tazones vibratorios con medios cerámicos logran un superacabado isotrópico , reduciendo Ra de 16 µin a 2 µin. Esto reduce el coeficiente de fricción de 0,12 a 0,05 en los engranajes, mejorando la eficiencia entre un 1 y un 2%.
Granallado abrasivo : La arena de óxido de aluminio (malla 20-100) crea un perfil Ra de 50-100 µin para la adhesión del recubrimiento. El chorro de metal blanco (SSPC-SP10) elimina todo el óxido y logra una limpieza de la superficie del 95 %.
Granallado por choque láser : el pulso láser de 3-5 GW/cm² crea plasma, generando una onda de presión de 5-10 GPa. Esto induce una tensión de compresión de 1 a 2 mm de profundidad (más profunda que el granallado) sin deformación de la superficie. Utilizado en palas de turbina.
Laminación en frío profunda : el rodillo comprime la superficie a -150 °C, creando una estructura nanocristalina con una tensión de compresión de 800 MPa. Mejora la vida de fatiga de los cigüeñales en un 200%.
Los procesos específicos del acero abordan sus debilidades inherentes: susceptibilidad a la corrosión, dureza moderada y resistencia al desgaste limitada.
Tratamientos comunes del acero :
Fosfatado : Crea cristales de Fe₃(PO₄)₂·8H₂O que fijan la pintura y proporcionan resistencia a la niebla salina durante 24 a 48 horas. El fosfato de zinc (Zn₃(PO₄)₂) se prefiere para carrocerías de automóviles.
Óxido negro (Fe₃O₄): la conversión química en sales alcalinas calientes produce una capa porosa de 1 µm que retiene el aceite preventivo de oxidación. Proporciona una resistencia a la niebla salina de <12 horas; puramente cosmética para sujetadores.
Galvanizado : La inmersión en caliente crea capas de aleación de Zn-Fe de 50-150 µm. La aleación de zinc y hierro (capa delta) en la interfaz proporciona una unión metalúrgica; La capa exterior eta es Zn puro. Peso del recubrimiento especificado en oz/pie⊃2; (G90 = 0,90 oz/pie⊃2; en ambos lados).
Nitruración : El baño de sal (550°C) o gas (500°C) difunde el nitrógeno, creando una capa blanca de 10-50 µm (Fe₂₋₃N) con una dureza de 900-1200 HV. No es necesario apagarlo, sin distorsiones.
Selección por aplicación :
Chasis de automóvil : Galvanizado en caliente (G90)
Fijaciones del motor : Óxido negro + aceite.
Engranajes de transmisión : Nitruración de gas
Paneles de carrocería : fosfato + e-coat
Sí, a pesar de su nombre 'inoxidable' . La capa pasiva de Cr₂O₃ (de 2 a 3 nm de espesor) se forma espontáneamente, pero la fabricación la destruye.
Tratamientos Obligatorios :
Pasivación (ASTM A967): Elimina el hierro libre procedente del corte, soldadura y manipulación. Proceso:
Limpieza alcalina para eliminar aceites.
enjuague con agua
Inmersión en ácido (20 % de ácido nítrico, 30-60 min, 120-140 °F) o ácido cítrico (4-10 % p/p, 30-120 min, 70-140 °F)
Enjuague final con agua desionizada
Seco
Beneficios : Restaura la resistencia a la niebla salina durante 96 horas; previene el enrojecimiento (manchas de óxido de hierro) en aplicaciones farmacéuticas.
Electropulido : el revestimiento inverso en ácido fosfórico-sulfúrico suaviza la superficie a Ra 0,1-0,2 µin, mejorando:
Capacidad de limpieza : Reduce la adhesión bacteriana en un 90 % (crítico para el cumplimiento de la FDA)
Corrosión : Mejora la relación Cr:Fe en la superficie de 1:3 a 3:1
Fatiga : Elimina los factores de estrés, mejorando la vida entre un 20 y un 30 %.
Cuando NO se requiere : Servicio atmosférico, aplicaciones no críticas. Pero para uso médico, alimentario, farmacéutico o marítimo , absolutamente sí.
El endurecimiento por inducción domina las aplicaciones industriales debido a su velocidad, precisión y automatización.
Cuota de mercado :
Inducción : 45% (automoción, petróleo y gas, minería)
Carburación : 30% (engranajes, cojinetes)
Nitruración : 15% (cigüeñales, tornillos extrusores)
Láser : 5% (aeroespacial, médico)
Llama : 5% (heredado/reparación)
Ventajas del endurecimiento por inducción :
Velocidad : 1-5 segundos por pieza (dientes de engranaje)
Precisión : 2-8 mm de profundidad de la caja ±0,5 mm
Selectividad : Trata sólo zonas específicas (muñecos de rodamiento) mientras enmascara otras.
Automatización : Se integra en centros de torneado CNC.
Dominio de la carburación : Para engranajes de alta carga, la carburación sigue siendo la reina. La carburación con gas a 925-955°C durante 4-12 horas logra una capa de carbono de 0,8-1,2%. El enfriamiento en aceite se transforma en martensita (60-63 HRC). La carburación al vacío (acetileno a baja presión) reduce el tiempo del ciclo en un 50% y elimina la oxidación intergranular.
La profundidad varía según el proceso y la aplicación :
| Proceso | Profundidad Rango | Tolerancia | Aplicación |
|---|---|---|---|
| Inducción | 0,5-8mm | ±0,5mm | Muñones de eje, dientes de engranaje |
| Carburación | 0,5-3mm | ±0,2mm | Engranajes de automoción (0,8-1,2 mm) |
| nitruración | 0,1-0,8mm | ±0,1mm | Cigüeñales (0,4-0,6 mm) |
| Láser | 0,5-2mm | ±0,2mm | Herramientas de corte, troqueles. |
| Granallado | 0,1-0,5mm | — | Profundidad del perfil de tensión |
Medición : El grabado Nital (2-5 % de ácido nítrico) revela la profundidad de la caja mediante el cambio de color. El perfilado de microdureza (ASTM E384) mapea la dureza desde la superficie hacia adentro; La profundidad del caso se define como la profundidad donde la dureza cae a 50 HRC.
Regla de diseño crítica : La profundidad de la caja debe ser del 10 al 20 % del espesor de los dientes para los engranajes. Demasiado poco profundo (<5%) provoca desconchado; demasiado profundo (>25%) hace que el núcleo se vuelva quebradizo.
Estrategias clave para prevenir la fragilidad :
1. Endurecimiento superficial (no endurecimiento total)
Utilice endurecimiento por inducción o llama para endurecer solo la zona de desgaste.
El núcleo permanece perlítico/ferrítico (duro) mientras que la superficie es martensítica (dura)
2. Selección de aleación
Elija aceros de aleación de carbono medio (4140, 4340) frente a aceros de carbono simple (1045)
Los elementos de aleación (Cr, Mo, Ni) aumentan la templabilidad, lo que permite velocidades de enfriamiento más lentas (aceite versus agua), lo que reduce el agrietamiento por enfriamiento.
3. Templado
Después del enfriamiento, atempere a 400-600 °F (1-2 horas) para aliviar el estrés.
Reduce la dureza entre 3 y 5 puntos HRC pero aumenta la dureza entre un 200 y un 300 %.
El doble templado (dos ciclos) garantiza una transformación y estabilidad completas.
4. Marquenching (Martempering)
Enfriar en aceite caliente/sal fundida a 350-400 °F, mantener hasta temperatura uniforme y luego enfriar al aire.
Minimiza los gradientes térmicos, reduciendo la distorsión y el agrietamiento en un 70%.
5. Tratamiento criogénico
Congelar a -300°F durante 24-36 horas después del templado
Transforma la austenita retenida en martensita, aumentando la dureza 2-3 HRC sin estrés añadido.
Ejemplo práctico : un engranaje 4140 (0,40 % C) se carburiza a una caja con 1,0 % C, se enfría con aceite y se revende a 450 °F. Resultado: superficie de 60 HRC, núcleo de 35 HRC y resistencia al impacto Charpy de 15 ft-lb.
Limitaciones críticas que impulsan la adopción de tratamientos de superficie:
1. Distorsión y cambio dimensional
Distorsión del enfriamiento : el enfriamiento con agua puede causar un cambio dimensional del 0,1 al 0,5%; las piezas complejas se deforman de forma impredecible
Costo del alisado : $50-$200/parte para alisado con plancha después del tratamiento térmico
Material de molienda : debe agregar 0,005-0,020' por lado para el pulido posterior al tratamiento térmico
2. Fragilidad y agrietamiento
Las piezas completamente endurecidas (60 HRC) tienen una resistencia al impacto <5 ft-lb, inaceptable para cargas de impacto.
Apagar grietas : los elevadores de tensión (roscas, esquinas afiladas) inician grietas en el 5-10 % de las piezas con alto contenido de carbono.
Fragilización por hidrógeno : la carburación y el revestimiento introducen H⁺, lo que provoca una fractura retardada bajo carga.
3. Energía y tiempo
Ciclos de horno : 4-24 horas a 1500-1800°F; costo de energía $0.30-$0.50/lb
Control de la atmósfera : los generadores de gas endotérmicos añaden un coste de capital de entre 10.000 y 50.000 dólares
Procesamiento por lotes : ineficiente para la fabricación ajustada frente al endurecimiento de superficies en línea
4. Limitaciones materiales
Los aceros con bajo contenido de carbono (<0,30% C) no se endurecen adecuadamente; requieren enriquecimiento de la superficie (carburación)
Las secciones delgadas (<0,125') se endurecen y se vuelven demasiado quebradizas
5. Impacto ambiental
Aceites de enfriamiento rápido : regulados por la EPA; costo de eliminación $2-$5/galón
Gases atmosféricos : emisiones de CO, CO₂, CH₄: 10-20 toneladas de CO₂eq por tonelada de acero
Tres objetivos clínicos :
1. Mejora de la biocompatibilidad
Implantes de titanio : el tratamiento térmico alcalino crea nanotopografía que acelera la osteointegración (crecimiento óseo) en un 40-60%, lo que reduce el tiempo de curación de 12 semanas a 6-8 semanas.
Energía superficial : la oxidación anódica aumenta la energía superficial del Ti, promoviendo la adsorción de proteínas y la unión celular.
2. Resistencia a la corrosión y al desgaste
Empastes de amalgama : el estañado evita la corrosión y las fugas marginales.
Instrumentos de acero inoxidable : La pasivación según ASTM F1089 evita picaduras en la esterilización en autoclave (vapor a 134 °C)
3. Unión adhesiva
Empastes de composite : el grabado con ácido fosfórico al 37% crea microetiquetas de 5 a 10 µm en el esmalte, logrando una fuerza de unión de 20 a 30 MPa.
Coronas de cerámica : grabado con ácido fluorhídrico + agente de acoplamiento de silano une el cemento de resina a la porcelana a 15-20 MPa
Brackets de ortodoncia : Los brackets de policarbonato tratados con plasma se adhieren al esmalte mediante adhesivos fotopolimerizables sin despegarse durante el tratamiento.
Tratamiento específico : La abrasión por aire con partículas de Al₂O₃ de 50 µm crea una retención micromecánica para la unión, lo que aumenta la longevidad de la restauración en un 30 %.
Aplicado al acero, hormigón y madera para garantizar una vida útil de 50 a 100 años :
Acero estructural :
Galvanizado en caliente (peso de recubrimiento G90 a G235) para puentes y rascacielos
Zinc por pulverización térmica (TSZ) para soldaduras en campo: el 85 % de Zn en el recubrimiento logra la misma vida útil que el HDG
Pintura intumescente : Se hincha hasta formar una espuma de 1' de espesor cuando se expone a >500 °F, lo que proporciona una clasificación de resistencia al fuego de 2 horas para vigas.
Concreto :
Selladores de silano/siloxano : penetran de 3 a 8 mm, lo que reduce la absorción de agua en un 90 % y la entrada de cloruro en un 70 % (crítico para la corrosión de las barras de refuerzo).
Densificadores (silicato de sodio): reaccionan con Ca(OH)₂ libre para formar gel CSH, lo que aumenta la dureza de la superficie en un 30 % y la resistencia a la abrasión.
Madera :
Tratamiento a presión : El azol de cobre (CA) penetra 0,40 pcf (libras por pie cúbico) para el contacto con el suelo, evitando la pudrición durante 40 años.
Retardante de fuego : el tratamiento con fosfato diamónico alcanza la clasificación de fuego Clase A (propagación de llama <25)
Control de calidad : Las pautas del ICRI (Instituto Internacional de Reparación de Concreto) especifican el perfil de la superficie (CSP 3-5) a través de virutas de perfil de la superficie del concreto para la adhesión del recubrimiento.
Amplíe la vida útil de la carretera de 10 a 20+ años mediante mantenimiento preventivo:
1. Capa adherente (asfalto)
Aplicación : Rocíe 0.05-0.10 galones/yd⊃2; de emulsión asfáltica (RS-1 o SS-1) antes de la aplicación
Propósito : Crea unión entre el asfalto viejo y nuevo, evitando la delaminación.
Por qué es importante : Sin adherencia, la resistencia al corte del recubrimiento cae un 60%; fracaso dentro de 2-3 años
2. Capa base (base granular)
Aplicación : Rocíe asfalto reducido MC-30 a 0,25-0,50 galones/yd⊃2; sobre una base de piedra triturada
Propósito : Penetra de 10 a 25 mm, uniendo el agregado suelto y proporcionando una barrera contra la humedad.
Curado : 24-72 horas antes de pavimentar
3. Sello antiniebla
Aplicación : Emulsión diluida (1:1 con agua) a 0,10-0,15 galones/yd⊃2;
Propósito : Sella grietas menores, restaura el aglutinante a la superficie oxidada, extiende la vida útil de 2 a 3 años.
Costo : $0,50-$1,50/yd⊃2; versus $5-$10/yd⊃2; para la superposición
4. Sello de viruta (tratamiento de superficie)
Aplicación : Rocíe aglutinante asfáltico (0,30-0,40 galones/yd⊃2;) y luego incruste virutas de agregado (1/4' a 3/8')
Propósito : Impermeabiliza, mejora la resistencia al deslizamiento, sella grietas
Extensión de vida : 5-7 años a $2-$4/yd⊃2;
5. Sello de lodo
Aplicación : Mezcla de emulsión, agregado fino y cemento de 3/8' de espesor
Propósito : Nivela la superficie, rellena surcos menores, proporciona una apariencia negra uniforme
Retorno del tráfico : 2-4 horas
La 'Black Stuff' : emulsión asfáltica SS-1h , la 'tack coat', es el spray negro pegajoso. El MC-30 reducido es la capa base. La emulsión modificada con polímero CRS-2P se utiliza para sellar virutas.
