Carbonitruración: endurecimiento superficial mejorado para un rendimiento superior del acero

Definición y concepto básico

La carbonitruración es un proceso termoquímico de endurecimiento superficial que difunde simultáneamente carbono y nitrógeno en la capa superficial de materiales ferrosos a temperaturas elevadas. Esta técnica de cementación crea una capa superficial endurecida con mayor resistencia al desgaste, resistencia a la fatiga y dureza superficial, a la vez que mantiene un núcleo tenaz y dúctil. El proceso se realiza en una atmósfera rica en carbono y nitrógeno, generalmente a temperaturas de entre 700 y 900 °C (1300 y 1650 °F).

La carbonitruración representa una variante importante de la carburación convencional, que ofrece diversas ventajas, como temperaturas de procesamiento más bajas, tiempos de ciclo más cortos y mejores propiedades superficiales. La adición de nitrógeno al proceso de carburación tradicional crea una zona de difusión más compleja con características metalúrgicas únicas.

Dentro del campo más amplio de la metalurgia, la carbonitruración pertenece a la familia de los tratamientos de difusión termoquímica, junto con la carburación, la nitruración, la nitrocarburación y la boroización. Ocupa una posición estratégica entre la carburación y la nitruración, combinando las ventajas de ambos procesos y abordando ciertas limitaciones inherentes a cada uno de ellos.

Naturaleza física y fundamento teórico

Mecanismo físico

A nivel atómico, la carbonitruración implica la difusión simultánea de átomos de carbono y nitrógeno en la red de hierro del sustrato de acero. Estos átomos intersticiales ocupan sitios octaédricos dentro de la estructura cúbica centrada en las caras (FCC) de la austenita durante el procesamiento a alta temperatura. La presencia de carbono y nitrógeno crea una zona de difusión más compleja que la que produciría cada elemento por separado.

El mecanismo de difusión se controla principalmente por gradientes de concentración y movilidad atómica dependiente de la temperatura. Los átomos de nitrógeno se difunden más rápidamente que los de carbono en la austenita debido a su menor radio atómico. Esta tasa de difusión diferencial crea un perfil de concentración característico donde el nitrógeno penetra más profundamente inicialmente, pero el carbono finalmente alcanza una mayor profundidad en la mayoría de las aplicaciones.

La coexistencia de nitrógeno y carbono estabiliza la fase austenítica a temperaturas más bajas que con carbono solo, lo que permite temperaturas de procesamiento más bajas que la carburación tradicional. Al enfriarse, la austenita rica en carbono y nitrógeno se transforma en diversas fases, como martensita, austenita retenida y carbonitruros complejos.

Modelos teóricos

El principal modelo teórico que describe la carbonitruración se basa en las leyes de difusión de Fick, en particular la segunda ley, que describe los cambios de concentración a lo largo del tiempo. Este modelo considera la difusión simultánea de múltiples elementos intersticiales con diferentes coeficientes de difusión.

Históricamente, la comprensión de la carbonitruración evolucionó desde las primeras observaciones empíricas en la década de 1920 hasta modelos más sofisticados basados ​​en la difusión en las décadas de 1950 y 1960. Los enfoques computacionales modernos incorporan cinética de transformación de fase junto con ecuaciones de difusión.

Existen diferentes enfoques teóricos para modelar la carbonitruración, incluyendo soluciones analíticas para ecuaciones de difusión simplificadas, métodos numéricos para geometrías complejas y modelos acoplados termodinámico-cinéticos. El método CALPHAD (Cálculo de Diagramas de Fases) ha adquirido cada vez mayor importancia para predecir la formación de fases durante la carbonitruración.

Fundamentos de la ciencia de los materiales

La carbonitruración afecta directamente la estructura cristalina del acero al introducir átomos intersticiales de carbono y nitrógeno que distorsionan la red de hierro. Esta distorsión crea un endurecimiento por solución sólida y promueve la formación de carbonitruros, compuestos complejos que contienen carbono y nitrógeno unidos al hierro o a elementos de aleación.

El proceso altera significativamente la microestructura en la superficie y cerca de ella, creando un gradiente de fases desde la capa hasta el núcleo. Las microestructuras típicas incluyen martensita fina, austenita retenida y precipitados de carbonitruro dispersos cerca de la superficie, que se transforman en la microestructura original del núcleo en profundidad.

Los principios fundamentales de la ciencia de los materiales que rigen la carbonitruración incluyen la difusión en estado sólido, la cinética de transformación de fase, el endurecimiento por precipitación y el fortalecimiento de la solución sólida. La interacción sinérgica entre el carbono y el nitrógeno crea propiedades únicas que no se pueden lograr con ninguno de los dos elementos por separado.

Métodos de expresión y cálculo matemático

Fórmula de definición básica

La profundidad de difusión en la carbonitruración se puede aproximar utilizando la ecuación de difusión modificada:

$$x = k \sqrt{D t}$$

Dónde:
- $x$ es la profundidad efectiva de la caja (mm)
- $k$ es una constante dependiente del proceso
- $D$ es el coeficiente de difusión efectivo (mm²/h)
- $t$ es el tiempo de proceso (h)

Fórmulas de cálculo relacionadas

El coeficiente de difusión efectivo del carbono en la austenita durante la carbonitruración se puede calcular utilizando la ecuación de Arrhenius:

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

Dónde:
- $D_C$ es el coeficiente de difusión del carbono (mm²/h)
- $D_0$ es el factor preexponencial (mm²/h)
- $Q$ es la energía de activación (J/mol)
- $R$ es la constante del gas (8,314 J/mol·K)
- $T$ es la temperatura absoluta (K)

El perfil de concentración de carbono se puede estimar utilizando la solución de la función de error de la segunda ley de Fick:

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

Dónde:
- $C(x,t)$ es la concentración de carbono en la profundidad $x$ y el tiempo $t$
- $C_s$ es la concentración de carbono superficial
- $C_0$ es la concentración inicial de carbono
- $\text{erf}$ es la función de error

Condiciones y limitaciones aplicables

Estos modelos matemáticos son válidos principalmente para geometrías semiinfinitas con composición inicial uniforme y concentración superficial constante. Suponen condiciones isotérmicas durante todo el proceso.

Los modelos presentan limitaciones al aplicarse a geometrías complejas, especialmente en esquinas agudas o secciones delgadas donde los efectos de borde se vuelven significativos. Tampoco tienen en cuenta completamente la interacción entre la difusión del carbono y el nitrógeno ni los efectos de los elementos de aleación.

Estas fórmulas asumen que la difusión es el paso limitante de la velocidad y no consideran la cinética de la reacción superficial, que puede ser significativa a temperaturas más bajas o en ciertas atmósferas. Además, las transformaciones de fase durante el enfriamiento no se incorporan en estos modelos básicos de difusión.

Métodos de medición y caracterización

Especificaciones de pruebas estándar

• ASTM E1077: Métodos de prueba estándar para estimar la profundidad del endurecimiento superficial del acero
• ISO 2639: Acero - Determinación y verificación de la profundidad efectiva de endurecimiento después del endurecimiento de la superficie
• SAE J423: Métodos para medir la profundidad de la caja
• DIN 50190: Profundidad de dureza de piezas tratadas térmicamente; determinación de la profundidad efectiva de endurecimiento después del endurecimiento por llama o por inducción

Equipos y principios de prueba

Los microdurómetros, con cargas típicamente entre 100 y 500 gf, son el equipo principal para medir los perfiles de profundidad de la caja. Estos instrumentos aplican fuerzas controladas con precisión a los penetradores de diamante y miden el tamaño de la impresión resultante para determinar la dureza a profundidades específicas.

La microscopía óptica y la microscopía electrónica de barrido (MEB) se utilizan para examinar la microestructura de las capas carbonitruradas. Estas técnicas revelan la distribución de fases, las transiciones de capa a núcleo y la presencia de carbonitruros u otros compuestos.

La caracterización avanzada puede emplear microanálisis de sonda electrónica (EPMA), espectroscopia de emisión óptica de descarga luminiscente (GDOES) o espectrometría de masas de iones secundarios (SIMS) para determinar perfiles de concentración precisos de carbono y nitrógeno a través de la profundidad del caso.

Requisitos de muestra

Las secciones transversales metalográficas estándar se preparan mediante corte, montaje, rectificado y pulido. Las muestras deben seccionarse perpendicularmente a la superficie tratada para medir con precisión la profundidad de la caja.

La preparación de la superficie requiere un pulido cuidadoso con granos sucesivos (normalmente de 120 a 1200), seguido de un pulido con suspensiones de diamante hasta obtener un acabado de 1 μm. El grabado químico con una solución de nital al 2-5 % se utiliza habitualmente para revelar la microestructura.

Las muestras deben estar libres de descarburación, oxidación o daños mecánicos que puedan afectar las lecturas de dureza. Para geometrías complejas, podrían requerirse múltiples secciones para caracterizar la distribución de la profundidad de la capa.

Parámetros de prueba

Las pruebas estándar suelen realizarse a temperatura ambiente (20-25 °C) en entornos de laboratorio con humedad controlada. Para aplicaciones especializadas, pueden realizarse pruebas de dureza a temperatura elevada.

Para las pruebas de microdureza, se utilizan tiempos de permanencia estándar de 10 a 15 segundos con velocidades de carga controladas. La distancia entre las indentaciones debe ser al menos 2,5 veces la longitud diagonal de las mismas para evitar interferencias.

Los parámetros críticos incluyen la definición de la profundidad efectiva de la caja (normalmente la profundidad a la que la dureza es igual a la dureza del núcleo más 50 HV o la profundidad a 550 HV) y la dirección transversal relativa a la superficie tratada.

Proceso de datos

Las mediciones de dureza se toman en incrementos de profundidad predeterminados, comenzando generalmente a 0,05 mm de la superficie y continuando hasta alcanzar la dureza del núcleo. Se pueden promediar múltiples recorridos para mejorar la fiabilidad estadística.

El análisis estadístico suele incluir el cálculo de valores medios y desviaciones típicas a cada 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 de la caja se calcula a partir del perfil de dureza, según la definición estándar correspondiente. La profundidad total de la caja, la dureza superficial y las características de transición caja-núcleo también se derivan de los datos de medición sin procesar.

Rangos de valores típicos

Clasificación del acero	Rango de valores típicos	Condiciones de prueba	Estándar de referencia
Acero bajo en carbono (1018, 1020)	Profundidad de caja de 0,2-0,8 mm, dureza de superficie de 58-62 HRC	845°C, 2-4 horas	SAE J423
Acero al carbono medio (1045, 1050)	Profundidad de caja de 0,3-1,0 mm, dureza de superficie de 60-64 HRC	815°C, 2-5 horas	ASTM E1077
Acero de baja aleación (4140, 8620)	Profundidad de caja de 0,5-1,2 mm, dureza de superficie de 58-63 HRC	790°C, 3-6 horas	ISO 2639
Acero para herramientas (A2, D2)	Profundidad de caja de 0,2-0,6 mm, dureza de superficie de 62-66 HRC	760°C, 1-3 horas	DIN 50190

Las variaciones en la profundidad de la caja dentro de cada clasificación de acero se ven influenciadas principalmente por el contenido de carbono, la composición de la aleación y la microestructura previa. Los aceros de mayor aleación suelen desarrollar cajas menos profundas, pero con mayor potencial de dureza.

Estos valores sirven como guía general para el desarrollo de procesos, pero deben validarse para aplicaciones específicas. La profundidad óptima de la caja depende de las condiciones de carga, la geometría del componente y la vida útil requerida.

Una tendencia notable en los distintos tipos de acero es la relación inversa entre la profundidad de encamisado alcanzable y la dureza superficial máxima. Los aceros de menor aleación generalmente permiten mayores profundidades de encamisado, pero podrían no alcanzar los valores de dureza superficial más altos posibles con grados de mayor aleación.

Análisis de aplicaciones de ingeniería

Consideraciones de diseño

Los ingenieros suelen especificar una profundidad de la capa de carbonitruración de entre 1/10 y 1/7 del espesor crítico de la sección para garantizar una distribución óptima de la tensión entre la capa y el núcleo. Esto evita fallos por fatiga subsuperficial, manteniendo al mismo tiempo una dureza superficial adecuada.

Se suelen aplicar factores de seguridad de 1,2 a 1,5 a los requisitos de profundidad de la caja calculados para tener en cuenta las variaciones del proceso y las incertidumbres en las condiciones de carga. Se pueden utilizar factores de seguridad más altos para aplicaciones críticas con consecuencias graves en caso de fallo.

Las decisiones de selección de materiales equilibran la templabilidad, la maquinabilidad y el costo. Los aceros con un contenido de carbono entre el 0,15 % y el 0,25 % son los preferidos para la carbonitruración, ya que proporcionan una buena dureza superficial a la vez que mantienen un núcleo tenaz.

Áreas de aplicación clave

Los componentes del sistema de propulsión automotriz, en particular engranajes, ejes y cojinetes, representan un área de aplicación crítica para la carbonitruración. Estos componentes requieren una excelente resistencia al desgaste y a la fatiga al operar bajo cargas cíclicas elevadas y condiciones de impacto moderado.

Las aplicaciones de herramientas, como punzones, matrices y herramientas de conformado, se benefician de la carbonitruración cuando se requiere una resistencia moderada al desgaste y una mayor resistencia al impacto que las herramientas totalmente templadas. La capa reforzada con nitrógeno proporciona mayor resistencia al desgaste adhesivo y al gripado.

Los componentes de equipos agrícolas, como herramientas de labranza, cuchillas y piezas de transmisión de potencia, utilizan carbonitruración para prolongar su vida útil en suelos abrasivos. Este proceso ofrece una alternativa rentable a materiales o procesos de recubrimiento más costosos.

Compensaciones en el rendimiento

Aumentar la profundidad de la caja generalmente reduce la dureza superficial debido a la dilución del carbono y a tiempos de procesamiento más prolongados a temperaturas elevadas. Los ingenieros deben equilibrar la resistencia al desgaste (favorecida por una alta dureza superficial) con la resistencia a la fatiga (mejorada por una mayor profundidad de la caja).

La carbonitruración mejora la resistencia al desgaste, pero puede reducir la ductilidad y la tenacidad superficial. Esta compensación es especialmente importante en aplicaciones con cargas de impacto o ciclos térmicos, donde se debe evitar la fractura frágil de la carcasa.

Los ingenieros de diseño equilibran el coste de procesamiento con los requisitos de rendimiento optimizando las especificaciones de profundidad de la caja. Cajas más profundas requieren tiempos de procesamiento más largos y un mayor consumo de energía, lo que incrementa los costes de producción sin mejorar necesariamente el rendimiento de los componentes en todas las aplicaciones.

Análisis de fallos

El aplastamiento de la carcasa es un modo de fallo común en componentes carbonitrurados sometidos a tensiones de contacto excesivas. La deformación plástica subsuperficial se produce cuando las tensiones de contacto superan el límite elástico del material del núcleo, lo que provoca el colapso de la carcasa endurecida hacia adentro.

El mecanismo de falla generalmente progresa desde la deformación plástica inicial del núcleo, seguida del agrietamiento de la carcasa y, finalmente, el desprendimiento o desprendimiento de la superficie endurecida. El examen microscópico revela flujo plástico subsuperficial y patrones característicos de grietas paralelas a la superficie.

Las estrategias de mitigación incluyen aumentar la dureza del núcleo a través de la selección de aleaciones o procesos de endurecimiento total, optimizar la profundidad de la carcasa para las condiciones de carga específicas y mejorar el diseño de la estructura de soporte para distribuir mejor las cargas aplicadas en todo el componente.

Factores influyentes y métodos de control

Influencia de la composición química

El contenido de carbono en el material base afecta significativamente la respuesta de carbonitruración, y los aceros con contenido medio de carbono (0,3-0,5 % C) desarrollan una mayor dureza del núcleo pero potencialmente una menor profundidad de capa que los grados con bajo contenido de carbono (0,1-0,2 % C).

El níquel y el manganeso promueven la formación de austenita retenida durante la carbonitruración, lo que mejora la tenacidad, pero puede reducir la dureza aparente. El cromo, el molibdeno y el vanadio forman carbonitruros estables que aumentan la dureza, pero pueden dificultar la profundidad de difusión.

La optimización de la composición generalmente implica la selección de materiales base con un contenido controlado de carbono (0,15-0,25%) y manganeso (0,6-1,0%), con fósforo y azufre limitados para evitar la fragilización y garantizar una formación uniforme de la capa.

Influencia microestructural

El tamaño de grano fino mejora la velocidad de difusión durante la carbonitruración, proporcionando mayor área límite de grano para el movimiento atómico. Los tamaños de grano ASTM 5-8 suelen ser los preferidos para una respuesta óptima a la carbonitruración.

La distribución de fases antes del tratamiento afecta las tasas de absorción de carbono y nitrógeno. Las condiciones iniciales normalizadas o templadas y revenidas generalmente ofrecen resultados más consistentes que las estructuras recocidas con grandes redes de carburo.

Las inclusiones no metálicas, en particular los sulfuros y óxidos, pueden generar variaciones locales en la profundidad de la capa y la dureza. Los aceros limpios con un contenido mínimo de inclusiones proporcionan propiedades de capa más uniformes y reducen el riesgo de fallos prematuros.

Influencia del procesamiento

Los parámetros del tratamiento térmico, en particular la temperatura y el tiempo, controlan directamente la profundidad de la capa y el perfil de composición. Las temperaturas más altas aceleran la difusión, pero pueden causar un crecimiento excesivo del grano u oxidación superficial.

Los procesos de trabajo mecánico previos a la carbonitruración afectan el tamaño del grano, el estado de tensión residual y el estado de la superficie. El trabajo en frío suele refinar la estructura del grano, pero puede introducir tensiones residuales que deformen las piezas durante el tratamiento térmico posterior.

La velocidad de enfriamiento tras la carbonitruración determina de forma crucial la microestructura y las propiedades finales. El temple en aceite proporciona velocidades de enfriamiento moderadas, adecuadas para la mayoría de las aplicaciones, mientras que el temple en gas ofrece una menor distorsión para componentes de precisión, a costa de una dureza ligeramente inferior.

Factores ambientales

La temperatura de funcionamiento afecta significativamente el rendimiento de los componentes carbonitrurados. La dureza y la resistencia al desgaste suelen disminuir a temperaturas elevadas debido a los efectos del revenido y a la menor estabilidad de las fases nitrogenadas.

Los entornos corrosivos pueden acelerar la degradación de las superficies carbonitruradas, especialmente cuando la capa pasiva está dañada. El contenido de nitrógeno en la carcasa proporciona una mejora moderada en la resistencia a la corrosión en comparación con la carburación convencional.

Los efectos dependientes del tiempo incluyen reacciones de revenido que pueden reducir la dureza durante la exposición prolongada a temperaturas moderadas (150-300 °C). Esta inestabilidad térmica es menos pronunciada que en las cajas carburizadas convencionales debido al efecto estabilizador del nitrógeno.

Métodos de mejora

El control de la composición de la atmósfera, en particular la relación amoníaco-hidrocarburos, permite a los metalúrgicos optimizar la relación nitrógeno-carbono en la caja. Un mayor contenido de nitrógeno mejora la resistencia al desgaste y reduce la distorsión, pero puede aumentar la fragilidad.

El tratamiento criogénico posterior a la carbonitruración puede reducir el contenido de austenita retenida y aumentar la dureza aparente. El proceso implica enfriar los componentes a entre -60 °C y -80 °C después del temple y antes del revenido.

Consideraciones de diseño como un espesor de sección uniforme, radios generosos en los cambios de sección y un soporte adecuado durante el tratamiento térmico pueden mejorar significativamente la estabilidad dimensional y reducir la distorsión durante la carbonitruración.

Términos y normas relacionados

Términos relacionados

La nitrocarburación es un proceso similar, realizado a temperaturas más bajas (500-580 °C), que crea una capa compuesta con predominio de carbonitruros épsilon en lugar de una zona de difusión. Proporciona una excelente resistencia al desgaste y al rayado con mínimas modificaciones dimensionales.

El cementado abarca una familia más amplia de técnicas de endurecimiento superficial, como la carbonitruración, la carburación, la nitruración y el endurecimiento por inducción. Estos procesos comparten el objetivo común de crear una capa superficial dura sobre un núcleo tenaz.

La profundidad efectiva de la caja se refiere a la distancia perpendicular desde la superficie hasta el punto donde la dureza alcanza un valor especificado (normalmente 550 HV o 50 HRC). Esto difiere de la profundidad total de la caja, que se extiende hasta el punto donde no se detecta ninguna diferencia metalúrgica con el núcleo.

La carbonitruración no debe confundirse con la nitrocarburación ni con la cianuración, a pesar de tener nombres similares. Estos procesos operan a diferentes temperaturas, producen microestructuras distintas y dan lugar a perfiles de propiedades diferentes.

Normas principales

SAE AMS 2759/7 proporciona especificaciones integrales para la carbonitruración de piezas de acero, incluidos parámetros de proceso, requisitos de control de calidad y criterios de aceptación para aplicaciones aeroespaciales y de alto rendimiento.

La norma ISO 15787 establece estándares internacionales para la documentación técnica de productos relacionados con piezas tratadas térmicamente, incluidos los componentes carbonitrurados. Estandariza los símbolos y los requisitos de documentación en diferentes industrias.

Las normas regionales varían en su enfoque de las especificaciones de carbonitruración. Las normas europeas (EN) suelen centrarse en los parámetros del proceso y los sistemas de calidad, mientras que las normas japonesas (JIS) enfatizan los requisitos específicos de las propiedades para diferentes aplicaciones.

Tendencias de desarrollo

La investigación actual se centra en el modelado computacional de la carbonitruración para predecir las propiedades de la carcasa en función de los parámetros del proceso y la composición del material base. Estos modelos buscan reducir el tiempo de desarrollo y optimizar los procesos para aplicaciones específicas.

La carbonitruración asistida por plasma representa una tecnología emergente que utiliza gas ionizado para mejorar las tasas de difusión a temperaturas más bajas. Este enfoque ofrece ventajas potenciales en la reducción de la distorsión, el consumo de energía y el tiempo de procesamiento.

Los desarrollos futuros probablemente incluirán sistemas de control en tiempo real basados ​​en sensores que ajusten los parámetros del proceso según las mediciones in situ de la formación de la caja. Este enfoque de circuito cerrado promete mejorar la consistencia y reducir la variación en componentes críticos.