Tratamientos superficiales y especiales

1. Introducción.

La superficie de una pieza después de su elaboración ya sea por deformación plástica o por arranque de viruta tiene el aspecto indicado en la siguiente figura:
La parte externa muestra el material deformado por la herramienta de corte o matriz de forma. La capa deformada puede contener contaminantes procedentes de los aceites de corte, polvo, virutas o capa de óxido.
En aplicaciones industriales las imperfecciones superficiales o rugosidad y los contaminantes hacen necesario tratar la superficie metálica con el fin de evitar fenómenos de fricción, desgaste, corrosión y/o fatiga.
La ingeniería de superficies es una nueva disciplina que trata las técnicas o procedimientos clásicos y modernos en los tratamientos superficiales y recubrimientos de los materiales. Desde tratamientos termoquímicos tradicionales, tecnologías de vacío (PVD y eVO), haces de iones o tecnologías láser y plasma, entre otras.
En los tratamientos superficiales se modifica la composición y la estructura superficial del material. Mientras que los recubrimientos adicionan un material diferente sobre la superficie a proteger. En ambos casos se incrementa la resistencia de la superficie del material para incrementar su vida en servicio, retardando fenómenos como la fatiga, oxidación o desgaste.
- Recubrimiento. Deposición de una capa dura sobre la pieza a tratar.
- Recubrimientos por conversión. Formación de capas superficiales de óxido, fosfatos o cromados que protegen al material de la corrosión. Los más empleados son el anodinado (del aluminio y titanio), pavonado, fosfatado y cromatado.
- Recubrimiento por chapado. La protección del metal base se realiza mediante láminas que lo protegen frente a la corrosión. El acero se recubre con chapas de acero inoxidable, latón, níquel y cobre. La aplicación de las láminas se realiza por laminación conjunta del metal base y del recubrimiento.
- Tratamiento termoquímico. La superficie de la pieza tratada es modificada químicamente por la adición de carbono o nitrógeno que aumenta la dureza. Los tratamientos térmicos posteriores endurecen la superficie.
- Temple superficial. La superficie de la pieza es calentada rápidamente hasta el estado austenítico a una profundidad controlada y es enfriada rápidamente. Se endurece un espesor determinado manteniendo el núcleo con las mismas características iniciales. Se distingue el temple a la llama o flameado y el temple por inducción.
- Deposición por inmersión. La superficie a endurecer es recubierta por capas duras de espesor controlado por procedimientos electrolíticos. La pieza a recubrir actúa como cátodo y el material de aportación como ánodo.
- Metalización. Consiste en aportar el material de recubrimiento sobre la pieza a tratar mediante su aportación por medio de una pistola de pulverización. La pistola proyecta el material en estado fundido.
- Endurecimiento por deformación plástica. La deformación plástica confiere acritud al material conformado.
- Deformación plástica superficial. La proyección de granallas o bolas a elevada velocidad sobre la superficie de la pieza la endurece por deformación plástica.
- Pinturas. Recubrimiento en forma de capas finas formadas por la aplicación de un polvo en suspensión sobre una mezcla líquida que al evaporarse o por reacción forma la capa impermeable y adherente que decora y protege al material base.
- Recubrimiento por CVD (Chemical Vapour Deposition). Deposición de recubrimientos duro por deposición del material en fase vapor a temperaturas cercanas a los 1000°C. Seguido por un tratamiento térmico en vacío según el tipo de material. Las capas obtenidas son duras y adherentes.
- Recubrimiento por PVD (Physical Vapour Deposition). Es la deposición física de materiales duros a temperaturas de entre 200 y 500°C. Se emplea en el recubrimiento de herramientas de corte.



2. Endurecimiento por deformación plástica (en frío y en caliente).

La deformación plástica, ya sea en frío o en caliente, provoca el endurecimiento del metal tratado por el incremento de la densidad de dislocaciones. El tratamiento térmico de recocido permite eliminar o modificar la acritud causada por la deformación plástica y controlar el grado de dureza final del material.
En la anterior figura se observan las primeras tres etapas en la conformación de tornillos por deformación plástica y se ve la variación de las propiedades mecánicas con el trabajo en frio. La ductibilidad disminuye con la deformación plástica en frío mientras que la dureza y la resistencia aumentan.
En los procesos de fabricación mecánica en los que se produce la conformación por deformación plástica se controlan las propiedades finales del producto por la combinación de deformación y recocido.
En un ensayo de tracción uniaxial, cuando se sobrepasa el límite elástico y la probeta es descargada, acumula cierta deformación plástica permanente además de endurecerse por acritud. Si después de la deformación la probeta vuelve a cargarse uniaxialmente, se observa que el límite elástico y la resistencia a la tracción son más altos y el metal tiene menor ductilidad. Así, los procesos de deformación plástica acumulan dureza y fragilidad al deformar el material.
El coeficiente de acritud depende de la estructura cristalina por definir el número de planos de fácil deslizamiento de las dislocaciones. Así, los metales con estructuras hexagonal compacta (HC) tienen menor coeficiente de acritud, le siguen los metales con estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC) y los mejores son los metales con estructura cúbica centrada en las caras (FCC). Esta es la razón por la que el grado de deformación y de endurecimiento admitido por distintos metales no es igual.
El porcentaje de trabajo en frio sufrido en la conformación se determina en función de la relación porcentual de las áreas iniciales y finales de la pieza procesada. (Tema 1. Ductibilidad).
La deformación plástica en frío tiene ventajas muy beneficiosas para las piezas conformadas. Se tienen excelentes acabados superficiales y buenas tolerancias dimensionales al mismo tiempo que el proceso es relativamente económico. Sin embargo, la ductilidad, conductividad y resistencia a la corrosión disminuyen con el trabajo en frío.
La mayoría de las piezas conformadas por deformación plástica en frío adquieren acritud y un gran endurecimiento. Por ello, en la mayoría de los casos deben tratarse térmicamente con un recocido contra acritud. El recocido regula el endurecimiento y otras propiedades adquiridas durante la deformación. Se realiza en tres etapas:
a) Recuperación. Se efectúa a bajas temperaturas y elimina las tensiones internas que adquiere el material durante su conformación. Recupera la conductividad.
b) Recristalización. A temperaturas mayores. Elimina por completo el endurecimiento por disminuir la densidad de dislocaciones.
c) Crecimiento de grano. Se produce a mayor temperatura.
El trabajo en caliente permite realizar grandes deformaciones plásticas sin fragilizar al material. En este procedimiento se combinan los efectos endurecedores de la deformación y los efectos del ablandamiento por la temperatura.
Los materiales superplásticos pueden estirarse grandes magnitudes sin sufrir estricción ni rotura durante su conformado. Es el caso de la aleación eutéctica estaño-plomo, algunos aceros inoxidables y ciertas aleaciones de titanio.





3. Tratamientos termoquímicos de los metales

Los tratamientos termoquímicos son procedimientos normalizados en los que además de practicar calentamientos y enfriamientos se modifica la composición química superficial de las piezas tratadas por la adición de carbono, nitrógeno, azufre, etc.
La modificación de la composición química superficial de la pieza se realiza para conseguir superficies duras y mejorar su comportamiento al desgaste y a la penetración. Al ser tratamientos que únicamente modifican la capa exterior de las piezas tratadas, el núcleo no se verá modificado y será tenaz.
Los principales tratamientos termoquímicos son la cementación, nitruración, cianuración, carbonitruración y sulfinuzación.
- Cementación. Consiste en adicionar carbono a la superficie de la pieza a tratar a temperaturas superiores a la crítica Ac3. Se aplica a aceros hipoeutectoides (bajo contenido de carbono) y se consiguen incrementos de dureza superficial y muy buena tenacidad en el núcleo después de practicar la difusión de los átomos de carbono y practicar un temple. La martensita obtenida en la superficie por el incremento de carbono que permite desplazar las curvas TTT hacia la derecha, mientras que en el núcleo la penetración del temple es prácticamente nula.
- Nitruración. El endurecimiento se produce por la difusión de nitrógeno a la capa superficial de la pieza tratada a temperaturas cercanas a los 520°C. Se consigue elevada dureza superficial y excelente resistencia a la corrosión.
- Cianuración. Es un procedimiento mixto (cementación + nitruración), puesto que el endurecimiento superficial se produce por la difusión simultánea de carbono (como en la cementación) y nitrógeno (como en la nitruración), a elevadas temperaturas (500-900°C). De este modo se consiguen superficies resistentes al desgaste y a la corrosión.
- Carbonitruración. Se trata de un procedimiento semejante al anterior (adición de carbono y nitrógeno) para mejorar las propiedades superficiales de resistencia al desgaste y corrosión, pero la forma de practicarlo es diferente. Mientras que en la cianuración se realiza en atmósferas gaseosas, en la carbonitruración se practica en baños de cianuro.
- Sulfinuzación. Se introduce en la superficie de la pieza a tratar carbono, nitrógeno y elevadas concentraciones de azufre por procedimientos de difusión en baños a temperaturas cercanas a las 570°C. El objeto del tratamiento consiste en mejorar la resistencia al desgaste sin aumentar apreciablemente la dureza y favoreciendo la lubricación.
Existen otros procedimientos como la silización (silicio), boruración (boro), cementación de metales (zinc, aluminio, cromo, estaño, cobalto, molibdeno, titanio, etc.), sherardización (zinc), calorización (aluminio) y cromización (cromo), entre otros.

3.1. Cementación
Es un tratamiento termoquímico que permite obtener piezas con gran resistencia superficial y núcleo tenaz en los aceros de entre 0,10 y 0,20% de carbono.
Consiste en adicionar carbono a la superficie de la pieza a tratar mediante procedimientos de difusión a temperaturas de austenización. La adición de carbono provoca el incremento de éste, en la capa superficial de la pieza, por lo que después de la cementación, se practica un temple obteniendo de esta forma superficies duras y resistentes al desgaste, junto con buena ductilidad y resiliencia del núcleo.
La pieza a tratar con bajo contenido de carbono recibe por procesos difusivos el carbono procedente del agente de carburización a temperaturas comprendidas entre los 850 y los 950°C. La penetración del carbono en la estructura austenítica del acero se mejora con el tratamiento a elevada temperatura donde el carbono tiene mayor solubilidad en la austenita. Mayores temperaturas y tiempos consiguen difusiones más profundas con espesores más grandes de la capa cementada. El temple posterior mantiene el núcleo tenaz y la superficie dura.
La cementación puede practicarse de diferentes formas en función del tipo de cementante empleado (sólido, líquido y gaseoso) y puede practicarse varios tratamientos térmicos al finalizar la cementación en función de la composición del acero tratado (de baja, media y alta aleación).
Los factores que deben tenerse en cuenta al practicar una cementación son la composición del acero a cementar, los tipos de cementantes utilizados, la temperatura de cementación seleccionada y los tiempos empleados para provocar la difusión de los átomos de carbono.
Composición del acero a cementar. Los aceros más empleados son los de bajo contenido de carbono (inferior a 0,30% C).
También se emplean aceros aleados con cromo, níquel y molibdeno. Los elementos de aleación desplazan las curvas TTT hacia la derecha aumentando la templabilidad y facilitando al mismo tiempo el temple en aceite y en piezas de espesor considerable. Los aceros de alta aleación con más de un 5% de elementos de aleación aumentan mucho más la templabilidad por lo que se emplean en piezas de gran volumen.
Tipos de cementantes. El cementante debe difundir carbono a la superficie de la pieza en estado atómico.
Pueden utilizarse cementantes sólidos (cementantes Caron), cementantes líquidos (cianuro sódico, cloruro bárico, cloruro sódico y carbonato sódico), y cementantes gaseosos (metano, propano y butano como gas activo y óxidos de carbono, nitrógeno e hidrógeno como gas portador). Los tipos de cementación son:
- La cementación sólida se realiza en un horno con el cementante Caran (60% carbón vegetal y un 40% de carbonato de bario), que rodea la pieza a cementar. El conjunto se introduce en una caja con cierre para evitar la entrada directa del fuego.
- En la cementación gaseosa (carburización al gas) se hace circular un gas sobre la pieza a calentar.
- La cementación líquida o por inmersión consiste en introducir la pieza a tratar en un baño caliente de sal de cianuro. El cianuro puede liberar nitrógeno obteniéndose un doble efecto, la carburización y la nitruración.
Temperatura de cementación. La temperatura de cementación debe estar comprendida entre la Ac3 (por encima de la temperatura crítica) y los 1000°C. Las altas temperaturas favorecen el proceso de difusión debido a que incrementa la movilidad y energía de los átomos favoreciendo la migración de los mismos, sin embargo, el incremento descontrolado de la temperatura puede provocar el sobrecalentamiento y el incremento del tamaño de grano.
Tiempo de cementación. El tiempo de cementación influye en el espesor de la capa cementada. Mayores tiempos de contacto con el cementante conseguirá capas de espesor mayor. Debe tenerse en cuenta que la relación tiempo-espesor no es lineal sino parabólica, lo que nos indica que a medida que transcurre el tiempo el espesor de la capa crecerá de forma más lenta debido a la saturación de átomos de carbono en la capa de la pieza tratada.

3.2. Nitruración
Es un procedimiento de endurecimiento superficial donde el elemento a difundir es el nitrógeno. La absorción de éste por parte del acero se produce cuando el acero contiene los elementos de aleación adecuados que permiten formar nitruros de gran dureza. Los principales elementos de aleación son el aluminio, el cromo y el vanadio.
La nitruración se realiza a temperaturas cercanas a los 550°C en atmósfera gaseosa de amoniaco (NH3) durante un período de entre 25 y 100 horas en función del espesor de la capa requerida. A esas temperaturas, el gas de amoníaco (NH3) se disocia y libera nitrógeno atómico capaz de difundir en el hierro. El nitrógeno al combinarse con los elementos de aleación forma nitruros que dan elevada dureza.
Mediante la nitruración se consiguen los siguientes efectos:
a) Capas superficiales duras sin necesidad de tratar térmicamente a la pieza después de la difusión.
b) Las capas creadas son resistentes al desgaste y con bajo coeficiente de rozamiento.
c) Ausencia de deformación superficial, grietas u otros defectos por no tener tensiones residuales en las piezas.
Los efectos conseguidos permiten emplear la nitruración en piezas que requieran capas duras, resistentes al desgaste y con buen coeficiente de rozamiento como son engranajes, cigüeñales y herramientas de metrología.
En la nitruración deben tenerse en cuenta cuatro factores: composición química del acero, propiedades del agente nitrurante, temperatura y tiempo de exposición.
Composición química del acero. Los aceros que admiten nitruración deben contener elementos de aleación como el aluminio, vanadio y cromo, ya que el nitrógeno forma nitruros con ellos e incrementa sustancialmente su dureza.
Agente nitrurante. El amoníaco (NH3) es el responsable de la producción de nitrógeno atómico que difunde en el acero. El caudal del gas y la temperatura son factores a tener en cuenta.
Temperatura y tiempo. La temperatura de descomposición del amoniaco es de 525°C. Temperaturas mayores pueden descomponer los nitruros formados y eliminar la dureza conseguida. Los tiempos de nitruración dependen de la profundidad de la capa deseada. Diez horas de tratamiento produce una capa nitrurada de aproximadamente 0,1 mm.

3.3. Carbonitruración
Es otro procedimiento de endurecimiento superficial cuyo objeto es obtener capas duras y resistentes por la adición superficial de carbono y nitrógeno. Puede considerarse un tratamiento mixto de cementación y nitruración y podría compararse con la cementación líquida.
El proceso se realiza a temperaturas comprendidas entre 660 y 860°C en atmósferas de hidrocarburos, amoníaco y óxidos de carbono. La difusión del carbono y nitrógeno y el tratamiento térmico de temple posterior permite obtener excelentes propiedades superficiales.

3.4. Cianuración
Es la creación de una capa superficial rica en nitrógeno y carbono por la difusión de estos elementos de un baño líquido. El baño es una mezcla de cloruro, cianuro y carbonato sódico y la temperatura del proceso está comprendida entre 800 y 900°C.
Después de la difusión del nitrógeno y del carbono se templan las piezas tratadas y el incremento de la dureza obtenido es debido a la transformación martensítica superficial y no a la formación de nitruros. El nitrógeno se disuelve en la austenita y disminuye la temperatura de inicio de transformación martensítica (Ms), favoreciendo la templabiliad y necesitando enfriamientos menos energéticos (aire).

3.5. Sulfinización
El tratamiento termoquímico se produce por la creación de una capa superficial rica en azufre, nitrógeno y carbono. La capa sulfinuzada (rica en azufre) no incrementa la dureza superficial de la pieza pero mejora su resistencia al desgaste y lubricación evitando fallos como el gripado de los elementos móviles.
El desgaste de las capas superficiales provoca que la capa rica en azufre no sea eliminada sino que migre hacia el núcleo de la pieza manteniendo sus propiedades de forma permanente. Se emplea en el tratamiento de herramientas de corte y en todas aquellas aplicaciones que están sometidas a desgaste continuo.

3.6. Otros procedimientos
Otros tratamientos termoquímicos que introducen elementos por difusión en la superficie de las piezas son la silización, boruración, sherardización y cromización, entre otros.


4. Tratamientos termoquímicos de los metales
Son tratamientos térmicos que afectan únicamente a la superficie de la pieza tratada, dejando el núcleo intacto con la estructura y las propiedades iniciales.
Con el temple por inducción y el temple a la llama se obtienen piezas de elevada dureza superficial (hasta 6 mm de profundidad), elevada resistencia a la fatiga y al desgaste, manteniendo el núcleo flexible y dúctil, pues no llega a endurecerse durante el tratamiento.
Permite endurecer zonas delimitadas de una pieza, dejando el resto sin tratar. Así se templan engranajes, cigüeñales y semiejes.

4.1. Temple por inducción
Utiliza un inductor formado por varias espiras de cobre que adoptan la forma de la zona a templar (circular, cuadrada, etc.). Por el inductor pasa una corriente de alta frecuencia (100-500000 Hz.), que por las corrientes inducidas de Foucoult, calienta a elevada temperatura la zona seleccionada de la pieza.
Se pueden realizar calentamientos muy rápidos a elevadas temperaturas acortando el tiempo de temple. Para ello se requieren aceros con microestructuras que permitan que los carburos puedan disolverse rápidamente en la austenita, ya que en estos casos la difusión es más rápida. Los carburos deben ser pequeños y estar homogeneamente repartidos por toda la estructura. Es típico de los aceros hipoeutectonides (0,4 - 0,5% C) normalizados o recocidos, con estructura formada por perlita y ferrita.
Los aceros con carburos grandes no son apropiados para el temple por inducción ya que necesitan temperaturas de más de 150°C por encima de AC3 para poder disolverlos en la austenita y obtener una estructura uniforme previa al enfriamiento. Las altas temperaturas a las que debe llevarse la superficie de la pieza provocan el crecimiento de grano austenítico y la obtención, después del enfriamiento, de estructuras bastas de martensita y austenita retenida no transformada.
La dureza de la capa templada depende del porcentaje de carbono superficial del acero. Se emplean aceros de 0,4 y 0,5% C a los que previamente se les ha realizado un bonificado o normalizado. Después del temple por inducción las piezas deben ser revenidas a 200°C para minimizar el tensionado de la martensita.



4.2. Temple a la llama o endurecimiento por flameado
Es un procedimiento de endurecimiento por temple superficial aplicado a aceros (0,3% y 0,6% C) y fundiciones que se realiza calentando la superficie mediante una llama oxiacetilénica y enfriando rápidamente.
Se emplea en grandes piezas o estructuras por el movimiento de uno o varios sopletes y enfriando con chorros de agua, aire o por inmersión en baños de agua o aceite.
Se obtienen capas templadas más profundas y duras que en los tratamientos termoquímicos y muy parecidas a las de temple por inducción. Los espesores templados dependen del tiempo en que la llama se encuentra sobre la superficie de la pieza, de la composición química, de la forma de la pieza, de la templabilidad del acero y del medio de enfriamiento. La profundidad del temple depende de la intensidad de la llama, el tiempo de calentamiento y el tamaño de la pieza. Pueden obtenerse espesores de hasta 6 milímetros.
Al igual que en el temple por inducción, después debe realizarse un revenido a 200°C para disminuir la dureza y aumentar la tenacidad.
Se emplea en los casos en los que se desea endurecer una superficie específica de una pieza sin afectar a otras ni al núcleo. También en los casos en que las piezas, por su tamaño, no puedan introducirse en un horno y realizarse un tratamiento másico.
Uno de los principales problemas es la falta de adherencia entre la capa exterior dura y el núcleo. La transición brusca entre las capas puede provocar desconchamientos por falta de adhesión. Para evitarlo se emplean aceros con menos de 0,6% C. Cuando se aplica en aceros aleados se obtiene mayor penetración del temple y menor variación de dureza entre el núcleo y la superficie.

Uno de los principales problemas es la falta de adherencia entre la capa exterior dura y el núcleo. La transición brusca entre las capas puede provocar desconchamientos por falta de adhesión. Para evitarlo se emplean aceros con menos de 0,6% C. Cuando se aplica en aceros aleados se obtiene mayor penetración del temple y menor variación de dureza entre el núcleo y la superficie.
En la siguiente figura se observa una instalación automática para la realización del flameado o temple a la llama. En la primera operación el soplete oxiacetilénico calienta la pieza. En la segunda de las etapas se enfría mediante un chorro de agua. En la segunda figura se produce el calentamiento y enfriamiento simultáneamente durante el desplazamiento de la pieza a tratar.


5. Preparación de las superficies
La preparación previa de las superficies es una etapa básica antes de crear el recubrimiento protector. Las operaciones previas son el desengrasado y decapado.
Desengrasado y decapado. El desengrasado es un procedimiento que elimina los residuos grasos procedentes del proceso de mecanización (aceites de corte y lubricantes). Se emplean disolventes orgánicos como el tricloroetileno y el percloroetileno y un rociado final con agua a presión.
El decapado es una operación mecánica realizada por la acción de un abrasivo con la que se pretende eliminar la capa de óxido superficial de las piezas tratadas o el resto de anteriores recubrimientos. Los procedimientos empleados son químicos, mecánicos y electrolíticos. El decapado químico se realiza por inmersión de las piezas en ácido sulfúrico o clorhídrico diluido. El decapado electrolítico elimina el óxido superficial de las piezas cuando éstas actúan como ánodos en un electrolito de ácido sulfúrico. El último de los procedimientos, el decapado mecánico emplea distintos tipos de muelas o telas abrasivas de dureza y tamaño de grano variable. Como abrasivos más importantes el corindón y el carburundo.
Arenado. Es otro procedimiento de eliminación de óxido superficial que consiste en la proyección de partículas abrasivas de pequeño tamaño de grano a elevada velocidad sobre la pieza a tratar con el fin de eliminar la capa de óxido superficial y mejorar la resistencia a la fatiga. Las partículas proyectadas de grano fino son de alúmina, sílice o corindón.
Shot Peenig o granallado. El objeto del granallado es doble. Se consigue eliminar la capa de óxido superficial además de incrementar la resistencia a la fatiga de la pieza tratada.

6. Recubrimientos por conversión
Formación de capas superficiales de óxido, fosfatos o cromados que protegen al material de la corrosión. Los más empleados son el anodizado (del aluminio y titanio), pavonado, fosfatado y cromatado.
Anodizado. Tratamiento por el que se genera una capa protectora y estable de óxido sobre la superficie de la pieza tratada con objeto de protegerla frente a la oxidación e incrementar su resistencia al desgaste. Se aplica a aluminio, titanio, magnesio y zinc.
El proceso consiste en colocar el metal a tratar en una cuba de electrólisis conectado al polo positivo (ánodo), como polo negativo (cátodo) un material inerte en una disolución iónica y la participación de una corriente eléctrica.
El anodizado mejora las propiedades físicas y químicas de la superficie tratada. Se incrementa la dureza superficial, la resistencia a desgaste y a la abrasión. Además la capa creada es resistente a agentes químicos y atmosféricos.
En el aluminio la capa de óxido producida es dura y adherente y se obtiene por tratamiento electrolítico donde el aluminio actúa como ánodo en una disolución electrolítica ácida (ácido sulfúrico o crómico). La capa de óxido admite ser coloreada.
Una variante es el anodizado duro que se realiza en las mismas condiciones que procedimiento habitual pero en este caso se emplean temperaturas inferiores a los 0°C y elevadas densidades de corriente. La capa obtenida es más gruesa y resistente.
Pavonado. Tratamiento por el que se deposita una capa de cloruros o sulfuros metálicos sobre la superficie de la pieza a recubrir con el objeto de mejorar su respuesta frente a la oxidación.
En los aceros la capa formada es de óxido ferroso-férrico (Fe304 y Fe203) de color azul-negro. El tratamiento se realiza en baños de sales fundidas oxidantes (nitrato sódico) a temperaturas comprendidas entre 250 y 400°C.
Fosfatado. Tratamiento por el que se obtiene una capa de fosfato sobre la superficie de la pieza a proteger además de ofrecer excelente facilidad de adhesión a pinturas.
El fosfatado se realiza por la inmersión del acero en solución de ácido fosfórico, nitrato de cinc y otras sales a temperaturas y tiempos establecidos según el proceso. La capa generada es anticorrosiva y admite el pintado posterior. Se emplea como tratamiento de acabado en carrocerías de automóviles.
Cromatado. Se obtiene una capa de óxido de cromo pasiva sobre la superficie de la pieza a proteger resistente a la corrosión. Se mejora la adherencia y la resistencia a la corrosión además de dar un acabado decorativo. Es un procedimiento de conversión económico y rápido, pero se emplea cada vez menos por sus efectos contaminantes y cancerígenos.

7. Recubrimientos por inmersión
La pieza a recubrir se sumerge en un baño con el metal protector fundido. El espesor de la capa recubierta es de entre 0,01 y 0,1 mm y la adherencia es buena. Se emplean principalmente el galvanizado y el estañado. En ambos casos el metal protector tiene un punto de fusión relativamente bajo.
Tanto en el galvanizado (capa de cinc) como en el estañado (capa de estaño) la película o capa creada sobre el material a proteger tiene dos zonas. La exterior o superficial está compuesta por el metal protector prácticamente puro. La zona interior o en contacto con el metal base estará formada por un compuesto intermetálico generado por la difusión de átomos del metal protector sobre el metal base.
Galvanizado. Consiste en recubrir el hierro o acero con una capa de cinc. El proceso se realiza por inmersión de la pieza a recubrir en un baño de cinc caliente en estado fundido a unos 450°C. El cinc es anódico respecto del hierro por lo que el acero queda protegido frente a la corrosión atmosférica y agua aunque la capa de recubrimiento no sea homogénea.
El recubrimiento conseguido por el galvanizado presenta una excelente adherencia porque el cinc se alea con el acero base. La protección frente a la corrosión conseguida incrementa la vida en servicio de las piezas tratadas hasta 8 años más sin necesidad de mantenimiento y en condiciones atmosféricas adversas. El tiempo de protección es proporcional al espesor de la capa y el tipo de atmósfera.
Las ventajas del galvanizado frente a otros tratamientos se deben a la excelente tenacidad del recubrimiento ya que el cinc se une al acero base por la formación de una capa de aleación cinc-hierro. El recubrimiento es resistente al choque y a la abrasión. La protección anticorrosiva se debe a su acción catódica frente al hierro y no es necesario que el acero quede completamente recubierto para su protección catódica. Además admite soldadura y pintura.
Estañado. El recubrimiento generado sobre la superficie de la pieza a proteger es de estaño. El proceso se realiza por inmersión de la pieza a recubrir en un baño caliente de estaño fundido. El estañado mejora el comportamiento de las superficies tratadas frente a la corrosión atmosférica y las disoluciones acuosas neutras.
Emplomado. El recubrimiento generado sobre la superficie de la pieza a proteger está formado por una aleación plomo-estaño ya que el plomo puro no forma aleación con el hierro y dificulta su adhesión metalúrgica.
Aluminizado. El recubrimiento es de aluminio y se emplea en la protección del acero. Es resistente a la corrosión y ofrece un buen aspecto superficial.
El procedimiento de inmersión del acero en aluminio es posterior a la deposición inicial de una capa de cinc o estaño que mejora la adherencia del aluminio y evita la oxidación del material base.




8. Recubrimientos electrolíticos
También denominados tratamientos galvánicos. Producen una película protectora de níquel, cobre, cromo o cinc de entre 0,001 y 0,01 milímetros sobre la pieza a proteger actuando ésta como cátodo y el metal protector como ánodo en un electrolito con elevada concentración del metal en forma de sulfatos o cianuro.
Los principales tratamientos son el cincado, niquelado, cromado, cobreado y cadmiado.
Cincado. Permite obtener un recubrimiento electrolítico de cinc sobre las superficies de la pieza a proteger. El cinc ofrece una excelente resistencia a la corrosión, acabado uniforme y brillante.
La pieza a proteger se sumerge en un electrolito de sulfato de cinc y cloruro amónico actuando como cátodo y el cinc, metal protector, actuando como ánodo. El hierro recubierto con cinc queda protegido por tener menor potencial electroquímico de forma que se corroerá y el hierro permanecerá inalterado.
Niquelado. El recubrimiento electrolítico se realiza con níquel y las piezas a recubrir pueden ser de hierro, acero, cobre, aluminio y latón. Se obtienen capas resistentes a la corrosión y con acabado brillante y uniforme. El electrolito empleado en el niquelado es el sulfato de níquel, ácido bórico y cloruro de níquel. En ocasiones se recubren las piezas con cobre (cobreado) para crear una cada fina, homogénea y proteger el metal base de la corrosión después de depositar níquel.
Cromado. El cromo es el metal empleado como recubrimiento. Confiere mayor dureza que el níquel y el cinc al mismo tiempo que presenta una excelente resistencia a la corrosión con espesores de capa de 0,001 milímetros.
La pieza a recurrir actúa como cátodo inmerso en un electrolito formado por una solución de ácido crómico y sulfúrico diluido. El cromo actúa como ánodo. Para una mejor adherencia del cromo se suelen niquelar las piezas previamente.
Cromado duro. Se realiza de forma semejante al cromado pero con densidades de corriente y temperaturas del electrolito mayores. Se obtienen mayores espesores de la capa (0,05 a 0,1 milímetros) y mejores propiedades.
El cromado duro confiere mayor dureza, gran resistencia al desgaste y excelente resistencia a la corrosión. Además, las piezas tratadas pueden ser mecanizadas por rectificado ajustándose a las tolerancias de fabricación y pueden ser pulidas para obtener acabados con textura, mates o brillantes.
Cobreado. Se emplea cobre como recubrimiento en un electrolito formado por una solución de sulfato de cobre y ácido sulfúrico. Como cátodo la pieza a proteger y como ánodo cobre puro. El cobreado se realiza para preparar las superficies antes de realizar el niquelado y para proteger las superficies de las piezas de acero que deban someterse a tratamientos termoquímicos como la cementación, nitruración, cianuración, etc.

9. Recubrimientos por metalización
Técnica de recubrimiento por deposición, por proyección de un metal en estado líquido sobre la superficie del material a proteger. La proyección se realiza después de llevar al material protector por encima de su temperatura de fusión y proyectarlo a elevada velocidad sobre la pieza. La solidificación posterior genera el recubrimiento. Como metal protector puede emplearse cinc, plomo y aluminio.
El pulverizador está formado por un soplete encargado de fundir el material de recubrimiento y una fuente impulsora (aire comprimido). En función del procedimiento de fusión y del medio de proyección se distinguen varias técnicas de metalización por proyección: proyección a la llama, proyección por arco eléctrico y proyección por plasma.
Con los recubrimientos por metalización se mejora la resistencia a la corrosión y al desgaste. Además se utiliza para recargar piezas desgastadas y mejorar el aspecto decorativo superficial.

10. Recubrimientos superficiales modernos
Se distinguen técnicas más sofisticadas de recubrimientos superficiales de entre las que se destacan: CVD o Deposición Química en Vapor, PVD o Deposición Física en Vapor, HVOF o la proyección térmica a elevada velocidad, la proyección por plasma, el tratamiento superficial con láser y el bombardeo iónico.
CVD o Deposición Química en Vapor. Deposición de recubrimiento duro por deposición del material en fase vapor a temperaturas cercanas a los 1000°C. Seguido por un tratamiento térmico en vacío según el tipo de material.
Se consiguen recubrimientos de elevada dureza, adherentes, de espesores comprendidos entre 5 y 10 µm. La principal aplicación es el recubrimiento de herramientas de deformación plástica en frío.
PVD o Deposición Física en Vapor. Es la deposición física de materiales duros a temperaturas inferiores al CVD comprendidas entre 200 y 500°C. Se emplea en el recubrimiento de herramientas de arranque de viruta y estampación.
El recubrimiento se realiza por la evaporación de la aleación o metal a depositar y su deposición sobre la superficie a recubrir. Se emplean dos técnicas de evaporación: la evaporación por arco eléctrico y el pulverizado o sputtering. La primera técnica genera capas adherentes y duras mientras que la segunda crea recubrimientos de baja rugosidad.
El recubrimiento es estable dimensionalmente. Mejora la resistencia al desgaste abrasivo, adhesivo y a la corrosión.
HVOF o la proyección térmica a elevada velocidad. Permite obtener un recubrimiento mediante la proyección de partículas en estado fundido a elevada velocidad. Para ello se hacen reaccionar dos gases (comburente: oxígeno y combustible: propano) generando una onda de combustión exotérmica donde los gases pueden alcanzar velocidades muy elevadas y temperaturas de hasta 3000°C.
La reacción de los gases se realiza dentro de una pistola de proyección, en la zona de combustión. Una chispa eléctrica provoca la ignición de los gases dentro de la pequeña zona de combustión incrementando la presión y evacuando los gases a elevada velocidad por el cañón de proyección.
Las temperaturas alcanzadas en HVOF son menores que en otros procesos (Plasma) por lo que permite proyectar materiales que puedan degradarse térmicamente. La alta velocidad garantiza una buena adherencia, baja porosidad y elevada densidad de la película recubierta.
La proyección térmica se emplea cuando es necesario mejorar las propiedades superficiales de piezas que estén sometidas a desgaste, oxidación o corrosión.
La proyección por plasma. La proyección por plasma permite crear un recubrimiento sobre el substrato del material a proteger mediante la proyección de un material protector a elevada temperatura.
Los materiales empleados en la proyección por plasma son muy variadas, desde metales y aleaciones, cerámicas e incluso plásticos.
La técnica consiste en proyectar el material en forma de material fundido sobre la superficie a proteger mediante el empleo de una llama es estado plasmático (12500°C). El material fundido solidifica sobre el substrato a proteger y por la elevada velocidad de impacto genera un recubrimiento compacto.
La generación de la llama plasmática se realiza en una pistola (pistola de proyección por plasma) en la que se hacen pasar un gas inerte (argón o nitrógeno) por un arco eléctrico generado entre dos electrodos. El gas, debido al arco eléctrico, se disocia transformándose en ión y electrones muy energéticos (llama plasmática).
El material protector se introduce en la pistola en forma de polvo y es acelerado, fundido y proyectado por el haz plasmático sobre la superficie a recubrir.
Tratamiento superficial con láser. El láser se emplea como medio de calentamiento selectivo pues permite irradiar pequeñas superficies en pocos segundos, llevándolas al estado austenítico y templando por enfriamiento rápido posterior.
El temple por láser permite obtener superficies duras y resistentes capaces de soportar fatiga y desgaste.
Bombardeo iónico. El bombardeo iónico de superficies consiste en acelerar iones y hacerlos impactar sobre la superficie del material a tratar.
Los iones son átomos a los que se les ha arrancado uno o más de sus electrones y quedan cargados eléctricamente, imprescindible para poder acelerarlos mediante campos magnéticos.