Cementación: Proceso de difusión de carbono para el endurecimiento y la producción de acero

Definición y concepto básico

La cementación es un proceso de difusión termoquímica en el que se altera la composición superficial de un metal mediante la introducción de elementos como carbono, nitrógeno o boro a temperaturas elevadas. Este proceso crea una capa superficial con composición modificada y propiedades mejoradas, a la vez que conserva las características del material del núcleo. Esta técnica es fundamental para los tratamientos de endurecimiento superficial en la fabricación de acero, permitiendo a los ingenieros lograr una resistencia al desgaste, a la fatiga y a la tensión de contacto superiores sin comprometer la tenacidad del interior del componente.

En el contexto más amplio de la metalurgia, la cementación representa una de las técnicas de modificación de superficies más antiguas y consolidadas, que se remonta a civilizaciones antiguas. Ocupa un lugar crucial entre los procesos de aleación en masa y las tecnologías de recubrimiento, ofreciendo una transición gradual en las propiedades desde la superficie hasta el núcleo, en lugar de una interfaz discreta. Esta transición gradual es especialmente valiosa en aplicaciones donde los componentes deben soportar condiciones de carga complejas.

Naturaleza física y fundamento teórico

Mecanismo físico

A nivel atómico, la cementación opera mediante difusión en estado sólido, donde los átomos del elemento difusor (típicamente carbono, nitrógeno o boro) penetran la red cristalina del metal base. El proceso se activa térmicamente, con los átomos moviéndose a través de sitios intersticiales en la estructura cristalina del metal. Esta difusión crea un gradiente de concentración que disminuye con la profundidad desde la superficie, lo que resulta en un perfil de composición que cambia gradualmente.

Los átomos en difusión distorsionan la red del huésped, creando campos de deformación localizados que contribuyen a los mecanismos de fortalecimiento. En el caso de la cementación del carbono (carburación), los átomos de carbono ocupan posiciones intersticiales en la red de hierro, lo que provoca una sobresaturación que permite las posteriores transformaciones de fase durante el enfriamiento. Estas transformaciones son cruciales para desarrollar las características microestructurales y las propiedades mecánicas deseadas.

Modelos teóricos

El principal modelo teórico que describe la cementación son las leyes de difusión de Fick. La segunda ley de Fick es particularmente relevante, ya que describe la difusión no estacionaria que ocurre durante el proceso:

$\frac{\parcial C}{\parcial t} = D \frac{\parcial^2 C}{\parcial x^2}$

Donde C es la concentración, t es el tiempo, x es la distancia desde la superficie y D es el coeficiente de difusión.

Históricamente, la comprensión de la cementación evolucionó del conocimiento empírico artesanal a principios científicos durante la revolución industrial. Los primeros metalúrgicos, como Réaumur (1722), proporcionaron las primeras descripciones científicas del proceso. La comprensión moderna incorpora la teoría atómica, la cristalografía y el modelado computacional para predecir el comportamiento de la difusión con mayor precisión.

Los enfoques teóricos alternativos incluyen modelos de campo de fase que dan cuenta de la evolución microestructural durante la difusión y simulaciones atomísticas que brindan información sobre los mecanismos de difusión a nanoescala.

Fundamentos de la ciencia de los materiales

La eficacia de la cementación está fuertemente influenciada por la estructura cristalina, donde las estructuras de hierro cúbicas centradas en el cuerpo (BCC) y cúbicas centradas en las caras (FCC) presentan diferentes tasas de difusión para los elementos intersticiales. Los límites de grano actúan como vías de alta difusividad, acelerando la penetración de los elementos difusos y creando profundidades de capa localmente mayores.

El proceso altera directamente la microestructura del material, y la cementación con carbono suele producir un gradiente desde la martensita con alto contenido de carbono en la superficie hasta la microestructura original del núcleo. Este gradiente microestructural es fundamental para las ventajas de rendimiento de los componentes cementados, ya que combina la dureza superficial con la tenacidad del núcleo.

Los principios de difusión del estado sólido, transformación de fases y evolución microestructural convergen en los procesos de cementación, lo que lo convierte en un excelente ejemplo de los principios de la ciencia de los materiales aplicados en la práctica industrial.

Métodos de expresión y cálculo matemático

Fórmula de definición básica

El perfil de concentración en la cementación se puede describir mediante la solución de la segunda ley de Fick para un sólido semiinfinito con concentración superficial constante:

$C(x,t) = C_s - (C_s - C_0) \cdot \text{erf}\left(\frac{x}{2\sqrt{Dt}} \right)$

Dónde:
- $C(x,t)$ es la concentración en la profundidad x después del tiempo t
- $C_s$ es la concentración superficial
- $C_0$ es la concentración uniforme inicial en el material
- $\text{erf}$ es la función de error
- $D$ es el coeficiente de difusión
- $t$ es el tiempo del proceso
- $x$ es la distancia desde la superficie

Fórmulas de cálculo relacionadas

El coeficiente de difusión D sigue una relación de Arrhenius con la temperatura:

$D = D_0 \exp\left(-\frac{Q}{RT}\right)$

Dónde:
- $D_0$ es el factor preexponencial (m²/s)
- $Q$ es la energía de activación para la difusión (J/mol)
- $R$ es la constante del gas (8,314 J/mol·K)
- $T$ es la temperatura absoluta (K)

La profundidad del caso (d) a un nivel de concentración específico se puede estimar utilizando:

$d = k\sqrt{t}$

Dónde:
- $k$ es una constante dependiente del proceso relacionada con la temperatura y el coeficiente de difusión.
- $t$ es el tiempo del proceso

Condiciones y limitaciones aplicables

Estos modelos matemáticos asumen un material homogéneo sin defectos significativos ni vías de difusión preferentes. Son más precisos para materiales monofásicos con estructura y tamaño de grano uniformes. Los modelos pierden precisión cerca de los límites de fase o en regiones con heterogeneidad microestructural significativa.

La solución de la función de error asume una concentración superficial constante, lo cual podría no ser cierto en todos los procesos de cementación, en particular en aquellos con condiciones superficiales variables en el tiempo. Además, estos modelos no consideran la difusión asistida por tensión, que puede ser significativa en componentes sometidos a carga durante el procesamiento.

Los gradientes de temperatura dentro del componente pueden afectar significativamente las tasas de difusión local, lo que requiere enfoques computacionales más complejos para piezas grandes o geométricamente complejas.

Métodos de medición y caracterización

Especificaciones de pruebas estándar

• ASTM E1077: Métodos de prueba estándar para estimar la profundidad de carburación del acero
• ISO 2639: Acero - Determinación y verificación de la profundidad efectiva de endurecimiento después del endurecimiento de la superficie
• ASTM A1033: Práctica estándar para la medición cuantitativa y el informe de transformaciones de fase de acero hipoeutectoides al carbono y de baja aleación
• SAE J423: Métodos para medir la profundidad de la caja

Cada norma proporciona metodologías específicas para medir la profundidad del caso, los perfiles de dureza y las características microestructurales de las capas cementadas.

Equipos y principios de prueba

Los microdurómetros son los instrumentos principales para evaluar la profundidad de cementación, utilizando métodos de indentación Vickers o Knoop para medir los gradientes de dureza desde la superficie hasta el núcleo. Estos instrumentos aplican cargas controladas con precisión para crear indentaciones microscópicas cuyas dimensiones se correlacionan con la dureza del material.

La microscopía óptica y la microscopía electrónica de barrido (MEB) permiten la observación directa del gradiente microestructural. Al combinarse con técnicas de grabado, estos métodos revelan distribuciones de fases y transiciones de capa a núcleo. La espectroscopia de rayos X por dispersión de energía (EDS) y el microanálisis con sonda electrónica (EPMA) proporcionan datos cuantitativos de la distribución elemental a lo largo de la capa cementada.

Las técnicas de caracterización avanzadas incluyen difracción de rayos X para la medición de la tensión residual y la identificación de fases, y espectroscopia de emisión óptica de descarga luminiscente (GDOES) para el perfil de profundidad de alta resolución de las concentraciones elementales.

Requisitos de muestra

Las secciones transversales metalográficas estándar requieren un corte cuidadoso para evitar la alteración térmica o mecánica de la capa cementada. Las muestras suelen montarse en resina, lijarse y pulirse hasta obtener un acabado de espejo (pulido final de 0,05-0,1 μm).

La preparación de la superficie debe evitar el sobrecalentamiento o la eliminación excesiva de material que podría alterar las características de la caja. Se suelen emplear técnicas de retención de bordes para preservar el estado real de la superficie durante la preparación.

Las muestras deben ser representativas del componente real y de las condiciones de procesamiento, prestando atención a la orientación relativa a la geometría de la pieza y la posición de procesamiento.

Parámetros de prueba

Las pruebas de microdureza generalmente emplean cargas de 100 a 500 gf para las pruebas Vickers, con un espaciado de sangría suficiente para evitar interferencias entre mediciones adyacentes (normalmente de 3 a 5 veces la diagonal de sangría).

Las condiciones ambientales deben controlarse según las condiciones de laboratorio estándar (23 ± 5 °C, 50 ± 10 % de humedad relativa) para garantizar la consistencia de la medición.

Los parámetros de grabado deben estandarizarse para lograr una revelación microestructural consistente, siendo el nital (2-5%) el agente de grabado más común para revelar las transiciones de la caja al núcleo en aceros cementados con carbono.

Proceso de datos

Los datos del perfil de dureza se recopilan a intervalos regulares de profundidad desde la superficie hasta el núcleo. La profundidad de la caja se define típicamente como la profundidad a la que la dureza desciende a un valor específico (a menudo 550 HV o 50 HRC) o a un valor 50 HV superior a la dureza del núcleo.

El análisis estadístico incluye el cálculo de valores medios y desviaciones típicas en cada incremento de profundidad. Se pueden aplicar técnicas de ajuste de curvas para generar perfiles de dureza continuos a partir de puntos de medición discretos.

La profundidad efectiva del caso se determina a través del análisis gráfico o computacional del perfil de dureza, a menudo utilizando el método de tangente o el enfoque del valor umbral según se especifica en las normas pertinentes.

Rangos de valores típicos

Clasificación del acero	Rango típico de profundidad de caja	Condiciones del proceso	Estándar de referencia
Acero bajo en carbono (1018, 1020)	0,5-2,5 mm	Carburación de gas, 900-950 °C, 4-20 horas	SAE J423
Acero al carbono medio (1045, 4140)	0,3-1,5 milímetros	Carburación de gas, 870-930 °C, 4-12 horas	ASTM E1077
Acero de carburación de aleación (8620, 9310)	0,8-3,0 mm	Carburación de gas, 900-950 °C, 6-24 horas	ISO 2639
Acero para herramientas (A2, D2)	0,05-0,3 mm	Carbonitruración, 800-870 °C, 1-4 horas	ASTM A1033

Las variaciones dentro de cada clasificación de acero se deben principalmente a las diferencias en el contenido de aleación, en particular a elementos como el cromo, el níquel y el molibdeno, que afectan la velocidad de difusión del carbono. La temperatura y el tiempo de proceso son las variables controlables más significativas que afectan la profundidad de la capa.

Estos valores sirven como guía para el diseño del proceso, y las profundidades reales de la capa requieren verificación mediante pruebas. La naturaleza gradual de la cementación implica que la profundidad efectiva de la capa depende de los requisitos específicos de las propiedades de la aplicación.

Análisis de aplicaciones de ingeniería

Consideraciones de diseño

Los ingenieros deben tener en cuenta los cambios dimensionales durante la cementación, que suelen ser de entre el 0,02 % y el 0,05 % de expansión volumétrica en los procesos de carburación. Este cambio dimensional afecta las tolerancias finales, especialmente en componentes de precisión.

Los factores de seguridad para componentes cementados suelen oscilar entre 1,2 y 1,5 para los requisitos de dureza superficial y entre 1,5 y 2,0 para las especificaciones de profundidad de la caja. Estos factores se adaptan a las variaciones del proceso y garantizan un rendimiento constante en todos los lotes de producción.

Las decisiones de selección de materiales deben equilibrar las propiedades del núcleo (tenacidad, maquinabilidad) con la templabilidad superficial. Los aceros bajos en carbono con un contenido de aleación controlado (p. ej., 8620, 16MnCr⁻¹) son preferibles para componentes que requieren una gran profundidad de recubrimiento, mientras que los aceros con mayor contenido de carbono pueden seleccionarse cuando las capas superficiales son suficientes.

Áreas de aplicación clave

Los componentes de transmisión de potencia automotriz, en particular engranajes y ejes, dependen en gran medida de la cementación para lograr una dureza superficial superior a 58 HRC, manteniendo al mismo tiempo la tenacidad del núcleo. Esta combinación permite una alta capacidad de contacto con resistencia a la fatiga por flexión.

Las aplicaciones de rodamientos aeroespaciales exigen profundidades de caja controladas con precisión y mínima distorsión. Estos componentes suelen utilizar carburación al vacío o a baja presión para lograr profundidades de caja uniformes con mínima oxidación y carburos intergranulares.

Las aplicaciones de herramientas industriales, como matrices y punzones de conformado, emplean cementación (a menudo carbonitruración) para mejorar la resistencia al desgaste y mantener la estabilidad dimensional. Las carcasas superficiales pero resistentes que se producen son ideales para aplicaciones con alta tensión superficial y cargas de impacto limitadas.

Compensaciones en el rendimiento

Una mayor profundidad de la caja generalmente mejora la resistencia al desgaste y la vida útil por fatiga de contacto, pero reduce la resistencia a la fatiga por flexión debido a zonas de transición más profundas y gradientes de tensión residual más altos. Los ingenieros deben optimizar la profundidad de la caja en función del modo de fallo predominante previsto en servicio.

Un mayor contenido de carbono superficial mejora la dureza, pero incrementa la fragilidad y la susceptibilidad al agrietamiento superficial. Los procesos de cementación modernos suelen apuntar a un contenido de carbono superficial del 0,8-0,9 %, en lugar de la saturación máxima, para equilibrar la dureza con la resistencia a la fractura.

El control de la distorsión y la uniformidad de la profundidad de la caja suelen presentar requisitos contrapuestos, ya que las temperaturas más altas aceleran la difusión, pero incrementan el riesgo de distorsión. Los procesos multietapa con perfiles de temperatura variables ofrecen una solución para equilibrar estos requisitos.

Análisis de fallos

El desprendimiento es común en componentes cementados sometidos a fatiga por contacto rodante. Este modo de falla se inicia en puntos del subsuelo cerca de la interfaz entre la caja y el núcleo, donde las tensiones de corte son máximas y las transiciones microestructurales generan concentraciones de tensiones.

El mecanismo de falla generalmente progresa desde la iniciación de microfisuras en inclusiones o interfaces de carburo, pasando por la propagación de grietas paralelas a la superficie, hasta culminar en la separación del material y la formación de picaduras. El desconchado progresivo puede provocar una falla catastrófica del componente si no se detecta a tiempo.

Las estrategias de mitigación incluyen el control del contenido y la distribución de inclusiones a través de prácticas de acero limpio, la optimización de la profundidad de la carcasa en relación con la distribución de la tensión de contacto y el empleo de procesos posteriores a la cementación, como el granallado, para introducir tensiones residuales de compresión.

Factores influyentes y métodos de control

Influencia de la composición química

El contenido de carbono en el material base afecta la templabilidad del núcleo y el gradiente de carbono tras la cementación. Un mayor contenido inicial de carbono reduce la diferencia entre las propiedades de la caja y del núcleo, pero puede mejorar la templabilidad general.

Los elementos de aleación afectan significativamente el comportamiento de cementación: el cromo y el molibdeno mejoran la templabilidad pero reducen las tasas de difusión; el níquel mejora la tenacidad del núcleo sin afectar sustancialmente la difusión; y el silicio tiende a formar óxidos que pueden impedir la penetración del carbono.

Los oligoelementos como el boro mejoran drásticamente la templabilidad incluso en concentraciones inferiores al 0,005%, mientras que el azufre y el fósforo pueden promover la oxidación intergranular durante la cementación, lo que requiere un control cuidadoso en aplicaciones de alto rendimiento.

Influencia microestructural

Los tamaños de grano más finos aceleran la cementación al proporcionar mayor área límite de grano para las vías de difusión. Los tamaños de grano ASTM de 5 a 8 suelen ser los más adecuados para una cementación óptima.

La distribución de fases previa a la cementación afecta la absorción de carbono; las estructuras ferríticas lo absorben con mayor facilidad que las perlíticas. Generalmente, se prefieren condiciones iniciales normalizadas o recocidas para obtener resultados de cementación consistentes.

Las inclusiones no metálicas pueden alterar las vías de difusión y generar variaciones locales en la profundidad de la capa. Las prácticas modernas de acero limpio y el control de la forma de las inclusiones (tratamiento con calcio) ayudan a minimizar estos efectos.

Influencia del procesamiento

Los parámetros del tratamiento térmico controlan directamente la velocidad de difusión, y la temperatura tiene un efecto exponencial según la ecuación de Arrhenius. Un aumento de 30 °C en la temperatura de carburación suele duplicar la velocidad de difusión.

Los procesos de trabajo mecánico previos a la cementación afectan la estructura del grano y el estado de tensión residual. El trabajo en frío puede aumentar la densidad de defectos y mejorar la difusión, además de provocar la recristalización durante el calentamiento posterior.

Las velocidades de enfriamiento tras la cementación determinan la microestructura y las propiedades finales. El temple directo produce la máxima dureza, pero una mayor distorsión, mientras que el enfriamiento por etapas o el temple a presión ofrecen un mejor control dimensional a costa de una ligera reducción de la dureza superficial.

Factores ambientales

La composición de la atmósfera del proceso controla directamente el potencial de carbono en la superficie. El monóxido de carbono, el metano y el propano son donantes comunes de carbono en la cementación con gas, por lo que se requiere un control preciso para obtener resultados consistentes.

La humedad en atmósferas carburantes afecta el potencial de carbono y puede contribuir a la oxidación intergranular. Los procesos modernos suelen mantener los puntos de rocío por debajo de -30 °C para minimizar estos efectos.

La exposición ambiental a largo plazo después de la cementación puede afectar las propiedades de la superficie, siendo la fragilización por hidrógeno una preocupación particular para los componentes cementados de alta resistencia expuestos a entornos corrosivos.

Métodos de mejora

La carburación al vacío elimina la oxidación intergranular y permite un control preciso del potencial de carbono, lo que produce microestructuras de caja más limpias con un rendimiento superior a la fatiga. Este proceso se adopta cada vez más en aplicaciones automotrices y aeroespaciales de alto rendimiento.

La carburación por plasma pulsado ofrece un procesamiento rápido con mínima distorsión y excelente uniformidad para geometrías complejas. El proceso utiliza periodos de descarga de plasma alternos para controlar la temperatura superficial y la transferencia de masa de carbono.

Los tratamientos de preoxidación se pueden emplear estratégicamente para enmascarar áreas en las que no se desea la cementación, lo que proporciona una alternativa rentable al recubrimiento de cobre o las pinturas de sellado para el endurecimiento selectivo.

Términos y normas relacionados

Términos relacionados

El cementado abarca diversas técnicas de endurecimiento superficial, incluyendo procesos de cementación (carburación, carbonitruración), así como nitruración y endurecimiento por inducción. Si bien todas producen superficies endurecidas, los mecanismos y los perfiles de profundidad difieren significativamente.

El recubrimiento por difusión se refiere a procesos en los que los elementos metálicos (en lugar de los intersticiales) se difunden en el sustrato. Algunos ejemplos son la cromización, la aluminización y la boroización, que crean compuestos intermetálicos en lugar de soluciones sólidas.

La profundidad de caja efectiva define la distancia perpendicular desde la superficie hasta donde la dureza es igual a un valor especificado (normalmente 550 HV o 50 HRC), mientras que la profundidad de caja total se extiende hasta donde no se pueden detectar diferencias compositivas o microestructurales con respecto al núcleo.

Normas principales

SAE J1268 "Estándar de vehículos de superficie: carburación y endurecimiento de engranajes" proporciona pautas integrales para el proceso de carburación específicamente adaptado a aplicaciones de engranajes, incluidos los parámetros del proceso y los requisitos de control de calidad.

La norma ISO 17694 "Metales duros - Determinación metalográfica de la porosidad y del carbono no combinado" aborda los métodos de prueba relevantes para los carburos cementados, que representan una aplicación diferente de los principios de cementación en la pulvimetalurgia.

Las normas nacionales como DIN 17022 (Alemania) y JIS G 0557 (Japón) ofrecen variaciones regionales en las especificaciones de cementación; la norma alemana generalmente requiere una documentación de proceso más estricta y la norma japonesa enfatiza los métodos de evaluación no destructivos.

Tendencias de desarrollo

El modelado computacional de procesos de difusión mediante análisis de elementos finitos permite predecir perfiles de casos en geometrías complejas, lo que reduce el tiempo de desarrollo y optimiza los parámetros del proceso. Estos modelos incorporan cada vez más predicciones de la evolución microestructural.

La carburación a baja presión combinada con el enfriamiento con gas a alta presión representa una tendencia tecnológica creciente, que ofrece beneficios ambientales, menor distorsión y un mejor control del proceso en comparación con la carburación atmosférica convencional.

El desarrollo de la tecnología de sensores se centra en el monitoreo in situ del potencial de carbono y la formación de capas durante el procesamiento, lo que potencialmente permite sistemas de control de circuito cerrado que ajustan los parámetros del proceso en tiempo real para lograr resultados consistentes a pesar de las variaciones del material.