Cementación: proceso de difusión de carbono para mejorar la dureza del acero

1 Definición y concepto básico

La carburación es un proceso de tratamiento térmico que introduce carbono en la capa superficial de los aceros bajos en carbono para aumentar la dureza superficial, manteniendo al mismo tiempo un núcleo tenaz y dúctil. El proceso consiste en calentar el acero en un entorno rico en carbono a una temperatura donde la austenita es estable, permitiendo que el carbono se difunda en la superficie del acero. Posteriormente, se realiza un temple y revenido para lograr la microestructura y las propiedades deseadas.

Esta técnica de endurecimiento superficial termoquímico es fundamental en la fabricación de componentes que requieren alta resistencia al desgaste en la superficie, manteniendo al mismo tiempo la tenacidad en el núcleo. Componentes como engranajes, árboles de levas y cojinetes suelen someterse a carburación para prolongar su vida útil en condiciones exigentes.

En metalurgia, la carburación representa uno de los diversos métodos de cementación, junto con la nitruración, la carbonitruración y la nitrocarburación. Es una de las técnicas de endurecimiento superficial más antiguas y utilizadas, y ofrece una solución económica para mejorar el rendimiento de los aceros bajos en carbono en aplicaciones que requieren resistencia al desgaste y al impacto.

2 Naturaleza física y fundamento teórico

2.1 Mecanismo físico

A nivel atómico, la carburación implica la difusión de átomos de carbono en la red de hierro. Cuando el acero se calienta a la temperatura austenítica (normalmente entre 850 y 950 °C), la estructura cristalina cambia de cúbica centrada en el cuerpo (ferrita) a cúbica centrada en las caras (austenita), lo que permite disolver una cantidad significativamente mayor de carbono.

Los átomos de carbono del medio carburante penetran la superficie del acero y ocupan posiciones intersticiales en la red austenítica. El gradiente de concentración impulsa la difusión del carbono desde la superficie hacia el núcleo, cuya velocidad de difusión depende de la temperatura y el tiempo. Tras el temple, la capa superficial enriquecida con carbono se transforma en martensita, mientras que el núcleo con menor contenido de carbono forma una combinación de ferrita, perlita y bainita, dependiendo de la velocidad de enfriamiento.

2.2 Modelos teóricos

El principal modelo teórico que describe la carburación son las leyes de difusión de Fick. La segunda ley de Fick aborda específicamente el proceso de difusión dependiente del tiempo:

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

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

La comprensión histórica de la carburación evolucionó desde las prácticas empíricas de las civilizaciones antiguas hasta la comprensión científica a principios del siglo XX. Los primeros herreros observaron que calentar el hierro en carbón vegetal mejoraba la dureza superficial sin comprender el mecanismo de difusión. La comprensión moderna se desarrolló junto con la teoría atómica y la cristalografía a principios del siglo XX.

Los enfoques teóricos alternativos incluyen modelos de campo de fase que tienen en cuenta la evolución microestructural durante la carburación y la termodinámica computacional utilizando métodos CALPHAD (cálculo de diagramas de fases) para predecir las transformaciones de fase durante el proceso.

2.3 Fundamentos de la ciencia de los materiales

La carburación afecta directamente la estructura cristalina del acero al introducir átomos de carbono que distorsionan la red del hierro. En el estado austenítico, el carbono ocupa posiciones intersticiales en la red FCC. Tras el temple, la austenita enriquecida con carbono se transforma en martensita tetragonal centrada en el cuerpo, donde los átomos de carbono atrapados causan una distorsión de la red que impide el movimiento de dislocación.

Los límites de grano desempeñan un papel crucial en la carburación, ya que sirven como vías de alta difusividad para el carbono. Los aceros de grano fino suelen carburarse de forma más uniforme que los materiales de grano grueso debido a la mayor área de los límites de grano. El proceso también afecta a la dinámica de crecimiento del grano durante el tratamiento a alta temperatura.

Los principios de difusión en estado sólido, transformación de fase y endurecimiento por precipitación rigen fundamentalmente el proceso de carburación. La profundidad de la capa y el perfil de dureza dependen de la interacción entre la cinética de difusión, la estabilidad de la austenita y la formación de martensita durante el temple.

3 Métodos de expresión y cálculo matemático

3.1 Fórmula de definición básica

El perfil de concentración de carbono en el acero carburizado se puede expresar utilizando la solución de la segunda ley de Fick para un sólido semiinfinito:

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

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

3.2 Fórmulas de cálculo relacionadas

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

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

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 se puede estimar utilizando:

$d=k\sqrt{t}$

Dónde:
- $d$ es la profundidad del caso para un contenido de carbono especificado
- $k$ es una constante dependiente del proceso
- $t$ es el tiempo de carburación

3.3 Condiciones y limitaciones aplicables

Estas fórmulas suponen una concentración constante de carbono superficial, lo cual es válido para la carburación con gas y en paquete, pero podría no serlo para la carburación al vacío con pulsos de acetileno. Los modelos también suponen un material homogéneo sin considerar los efectos de los elementos de aleación en las tasas de difusión.

La solución de la función de error solo aplica a geometrías semiinfinitas y no considera los efectos de borde en piezas complejas. Para obtener predicciones precisas en entornos industriales, estos modelos deben complementarse con correcciones empíricas basadas en la geometría de la pieza y las características del horno.

La temperatura debe mantenerse en el rango austenítico (normalmente entre 850 y 950 °C) para que estos modelos sean válidos, ya que los mecanismos de difusión varían drásticamente fuera de este rango. Los modelos también suponen condiciones de equilibrio en la superficie, lo cual podría no ser cierto en procesos de carburación dinámica.

4 Métodos de medición y caracterización

4.1 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 carburación
• SAE J423: Métodos para medir la profundidad de la caja
• DIN 17022-3: Tratamiento térmico de materiales ferrosos - Parte 3: Cementación

La norma ASTM E1077 abarca los métodos metalográficos, químicos y de dureza para determinar la profundidad de la caja. La norma ISO 2639 se centra en las técnicas de medición basadas en la dureza y los procedimientos de verificación. La norma SAE J423 proporciona directrices específicas para la industria automotriz.

4.2 Equipos y principios de prueba

Los microdurómetros con cargas de 100 a 500 g se utilizan comúnmente para generar perfiles de dureza desde la superficie hasta el núcleo. Estos instrumentos miden la resistencia a la deformación plástica creando pequeñas indentaciones y midiendo su tamaño.

Los espectrómetros de emisión óptica permiten el análisis químico de gradientes de carbono mediante la eliminación y el análisis capa por capa. Las microsondas electrónicas proporcionan un mapeo químico de mayor resolución, pero requieren una preparación de muestras más sofisticada.

Las técnicas de caracterización avanzadas incluyen microscopía electrónica de barrido (SEM) con espectroscopia de rayos X de energía dispersiva (EDS) para el análisis microestructural y difracción de rayos X (XRD) para la medición de la tensión residual en capas carburizadas.

4.3 Requisitos de muestra

Las muestras metalográficas estándar requieren un corte transversal perpendicular a la superficie carburizada, seguido de un montaje en resina. Las dimensiones de las muestras suelen oscilar entre 10 y 25 mm de longitud, con toda la profundidad de la caja visible.

La preparación de la superficie consiste en el esmerilado con abrasivos cada vez más finos (normalmente de grano 120 a 1200), seguido del pulido con pasta de diamante hasta obtener un acabado de 1 μm. El grabado con una solución de nital al 2-5 % revela la microestructura y la transición entre la caja y el núcleo.

Las muestras deben estar libres de descarburación u otros artefactos de tratamiento térmico que puedan afectar las mediciones. Para el análisis químico, se requieren superficies planas con mínima rugosidad para garantizar una eliminación precisa capa por capa.

4.4 Parámetros de prueba

Las pruebas estándar se realizan a temperatura ambiente (20-25 °C) en entornos de laboratorio con humedad controlada. Para aplicaciones especializadas, se pueden realizar pruebas de dureza a temperatura elevada para evaluar el rendimiento en condiciones de servicio.

Las pruebas de microdureza suelen utilizar un tiempo de permanencia de 10 a 15 segundos para cada indentación, con indentaciones espaciadas a intervalos de 0,1 a 0,2 mm desde la superficie hacia el interior. La carga de prueba debe mantenerse constante durante toda la medición del perfil.

Se deben tomar mediciones de la profundidad de la caja en varios puntos del componente para tener en cuenta los efectos geométricos en la difusión del carbono. En el caso de piezas complejas, las mediciones en puntos críticos deben especificarse en el protocolo de prueba.

4.5 Proceso de datos

Los datos del perfil de dureza se recopilan como una serie de valores de dureza en función de la distancia a la superficie. La profundidad efectiva de la caja se define típicamente como la profundidad donde la dureza es igual a 550 HV o 50 HRC, o alternativamente, donde la dureza supera la dureza del núcleo en 50 HV.

El análisis estadístico incluye el cálculo de la media y la desviación estándar de las mediciones de profundidad de casos en múltiples ubicaciones. Se pueden establecer intervalos de confianza en función del número de mediciones y la variación observada.

Los perfiles de concentración de carbono pueden derivarse de los datos de dureza mediante correlaciones empíricas o medirse directamente mediante técnicas de análisis químico. La profundidad de la capa se determina entonces con base en un contenido umbral de carbono, típicamente del 0,35 % para muchas aplicaciones.

5 Rangos de valores típicos

Clasificación del acero	Rango típico de profundidad de caja	Contenido de carbono superficial	Temperatura del proceso	Estándar de referencia
Acero bajo en carbono (1018, 1020)	0,5-2,5 mm	0,8-1,0%	900-925 °C	SAE J423
Acero de baja aleación (4120, 8620)	0,8-3,0 mm	0,8-0,9%	925-950 °C	ASTM E1077
Acero de grado carburante (20MnCr5)	1,0-3,5 mm	0,7-0,9%	930-950 °C	ISO 2639
Acero para cojinetes (SAE 52100)	0,3-1,5 milímetros	0,7-0,8%	850-900 °C	DIN 17022-3

Las variaciones dentro de cada clasificación de acero se deben principalmente a las diferencias en los elementos de aleación que afectan la velocidad de difusión del carbono. El cromo, el molibdeno y el manganeso suelen reducir la velocidad de difusión, lo que requiere tiempos de carburación más largos para lograr profundidades de capa equivalentes.

En aplicaciones prácticas, estos valores guían el diseño inicial del proceso, pero los parámetros finales deben validarse mediante pruebas. Los componentes con altos requisitos de desgaste suelen especificar carcasas más profundas, mientras que aquellos que requieren mayor resistencia al impacto pueden especificar carcasas menos profundas con menor contenido de carbono superficial.

Una tendencia notable en los distintos tipos de acero es que un mayor contenido de aleación generalmente resulta en una mejor templabilidad, pero una difusión de carbono más lenta, lo que requiere ajustes del proceso. Los procesos de carburación modernos suelen utilizar modelos informáticos para predecir los perfiles de la caja en función de la composición del acero y los parámetros del proceso.

6 Análisis de aplicaciones de ingeniería

6.1 Consideraciones de diseño

Los ingenieros suelen especificar la profundidad de la caja basándose en cálculos de tensión de contacto mediante la teoría de contacto hertziana. En el caso de engranajes y rodamientos, la profundidad de la caja suele ser del 10 al 30 % del espesor o radio del componente para garantizar un soporte adecuado para la capa endurecida.

Los factores de seguridad para componentes carburizados suelen oscilar entre 1,2 y 1,5 para las especificaciones de profundidad de la caja, considerando las variaciones del proceso y la incertidumbre de la medición. Las aplicaciones críticas pueden requerir control estadístico del proceso para garantizar la consistencia de las propiedades de la caja.

Las decisiones de selección de materiales equilibran la templabilidad, la maquinabilidad y el costo. Si bien los aceros de mayor aleación ofrecen mayor templabilidad y mayores profundidades de capa efectivas, conllevan costos de material y procesamiento más elevados. Los ingenieros suelen seleccionar el contenido de aleación más bajo que cumpla con los requisitos de rendimiento.

6.2 Áreas de aplicación clave

En los sistemas de propulsión de automóviles, los componentes carburados incluyen engranajes de transmisión, diferenciales y árboles de levas. Estos componentes requieren un control preciso de la profundidad de la caja para equilibrar la resistencia al desgaste y la resistencia a la fatiga, por lo que suelen especificarse profundidades de caja de 0,8 a 1,5 mm y una dureza superficial de 58 a 62 HRC.

Las cajas de engranajes de turbinas eólicas representan otra área de aplicación crítica, donde los engranajes carburados deben soportar altas cargas de par y largos intervalos de mantenimiento. Estas aplicaciones suelen requerir carcasas más profundas (1,5-3,0 mm) y perfiles de tensión residual cuidadosamente controlados para evitar fallos prematuros.

La carburación también es esencial en la fabricación de herramientas de corte, equipos agrícolas y maquinaria minera. Estas aplicaciones suelen exponer los componentes a desgaste abrasivo y cargas de impacto, lo que requiere propiedades de recubrimiento optimizadas con una dureza superficial superior a 60 HRC, manteniendo al mismo tiempo la tenacidad del núcleo.

6.3 Compensaciones en el rendimiento

Aumentar la profundidad de la caja mejora la resistencia al desgaste, pero puede reducir la resistencia a la fatiga si no se controlan adecuadamente las tensiones de compresión residuales. Las cajas profundas pueden generar tensiones de tracción en la interfaz entre la caja y el núcleo, lo que puede generar puntos de inicio de grietas.

Un mayor contenido de carbono superficial aumenta la dureza, pero puede dar lugar a la retención de austenita o redes de carburo que reducen la resistencia al impacto. Los procesos de carburación modernos suelen tener como objetivo un 0,8-0,9 % de carbono superficial como equilibrio óptimo entre dureza y tenacidad.

Los ingenieros deben equilibrar el control de la distorsión con la uniformidad de la vaina. Los procesos de carburación más rápidos pueden reducir la distorsión, pero pueden producir propiedades de vaina menos uniformes, mientras que los procesos más lentos con mayor uniformidad pueden aumentar el riesgo de distorsión debido a una exposición prolongada a altas temperaturas.

6.4 Análisis de fallos

El fallo por desconchado es común en componentes carburizados cuando la profundidad de la vaina es insuficiente para soportar las tensiones de contacto. Este modo de fallo comienza con la formación de una grieta subsuperficial en el punto de máxima tensión de corte, normalmente justo debajo de la interfaz vaina-núcleo, seguida de la propagación de la grieta paralela a la superficie.

El mecanismo de falla implica tensiones de contacto cíclicas que superan la resistencia a la fatiga del material, a menudo exacerbadas por inclusiones o discontinuidades microestructurales. A medida que las grietas se propagan, alcanzan la superficie, provocando la ruptura del material en escamas o astillas.

Las estrategias de mitigación incluyen especificar profundidades de caja más profundas para aplicaciones de mayor carga, mejorar la limpieza del acero para reducir el contenido de inclusiones e implementar granallado para introducir tensiones residuales de compresión que inhiban la iniciación y el crecimiento de grietas.

7 Factores influyentes y métodos de control

7.1 Influencia de la composición química

El contenido de carbono en el acero base afecta significativamente el gradiente final entre la caja y el núcleo. Un menor contenido inicial de carbono (normalmente entre el 0,1 y el 0,25 %) permite una mayor diferencia entre las propiedades de la caja y el núcleo, mientras que los aceros con mayor contenido de carbono ofrecen una menor distinción.

Los elementos de aleación como el cromo, el molibdeno y el manganeso mejoran la templabilidad, garantizando que la capa rica en carbono se transforme en martensita durante el temple. Sin embargo, estos elementos también reducen la tasa de difusión del carbono, lo que requiere tiempos de carburación más largos o temperaturas más altas.

Los enfoques de optimización incluyen la selección de calidades de acero con composiciones equilibradas que proporcionen una templabilidad adecuada, minimizando al mismo tiempo el tiempo de procesamiento y la distorsión. Los aceros de cementación modernos suelen contener entre un 0,5 % y un 1,2 % de manganeso, entre un 0,5 % y un 1,5 % de cromo y entre un 0,15 % y un 0,25 % de molibdeno.

7.2 Influencia microestructural

El tamaño de grano fino acelera la difusión del carbono gracias al aumento del área límite de grano, lo que resulta en propiedades de capa más uniformes. Los tamaños de grano ASTM 5-8 se suelen especificar para aceros de cementación para equilibrar las características de difusión con las propiedades mecánicas.

La distribución de fases en el núcleo afecta el gradiente de propiedades mecánicas entre la carcasa y el núcleo. Idealmente, la microestructura del núcleo debería consistir en perlita fina y ferrita o martensita templada, lo que proporciona una buena tenacidad y, al mismo tiempo, soporta la carcasa rígida.

Las inclusiones no metálicas pueden interrumpir la difusión del carbono y actuar como concentradores de tensiones en la capa carburizada. Los procesos modernos de fabricación de acero limpio minimizan el contenido de inclusiones para mejorar la respuesta a la carburación y el rendimiento del componente.

7.3 Influencia del procesamiento

Los parámetros del tratamiento térmico, en particular la temperatura y el tiempo de austenización, controlan directamente la profundidad de la capa y el perfil de carbono. Las temperaturas más altas aceleran la difusión, pero pueden causar un crecimiento excesivo del grano, mientras que tiempos más largos aumentan la profundidad de la capa, pero reducen la productividad.

El trabajo mecánico previo a la carburación afecta el tamaño del grano y la densidad de dislocaciones, lo que influye en las tasas de difusión del carbono. El trabajo en frío suele aumentar la densidad de dislocaciones, lo que facilita la difusión del carbono, mientras que el trabajo en caliente controla el tamaño del grano.

La velocidad de enfriamiento durante el temple determina la microestructura tanto de la vaina como del núcleo. El temple en aceite suele proporcionar velocidades de enfriamiento suficientes para aceros aleados, mientras que el temple en agua o polímeros puede ser necesario para aceros de baja aleación a fin de garantizar una transformación martensítica completa en la vaina.

7.4 Factores ambientales

La temperatura de funcionamiento afecta significativamente el rendimiento de los componentes carburizados. A temperaturas elevadas, la martensita puede revenerse y perder dureza, lo que reduce la resistencia al desgaste. Los componentes diseñados para servicio a alta temperatura pueden requerir temples más profundos o métodos de endurecimiento alternativos.

Los entornos corrosivos pueden acelerar la degradación superficial de los componentes carburizados. Si bien el alto contenido de carbono proporciona cierta resistencia a la corrosión, podrían ser necesarios tratamientos o recubrimientos superficiales adicionales en entornos severos.

Los efectos dependientes del tiempo incluyen el revenido de la capa martensítica durante el servicio a temperaturas elevadas, lo que puede reducir la dureza con el tiempo. Este efecto es especialmente importante en aplicaciones como componentes de turbinas o cojinetes de alta temperatura.

7.5 Métodos de mejora

La carburación en atmósfera controlada con control preciso del potencial de carbono permite obtener perfiles de carbono a medida. Los sistemas modernos utilizan sondas de oxígeno y analizadores de gases infrarrojos para mantener el potencial de carbono dentro de un margen de ±0,02 %, lo que resulta en propiedades de vaina uniformes.

La carburación al vacío a baja presión representa una mejora en el procesamiento que reduce la distorsión y proporciona una profundidad de capa más uniforme en geometrías complejas. Este proceso utiliza pulsos de gas de hidrocarburo alternados con períodos de difusión para lograr perfiles de carbono precisos.

Las consideraciones de diseño para optimizar el rendimiento incluyen la especificación de transiciones graduales de la carcasa al núcleo mediante la selección adecuada del acero y el control del proceso. Los componentes pueden diseñarse con variaciones locales en la profundidad de la carcasa para adaptarse a las distribuciones de tensiones, maximizando el rendimiento y minimizando los costos de procesamiento.

8 Términos y normas relacionados

8.1 Términos relacionados

La cementación abarca diversos procesos de endurecimiento superficial, como la carburación, la nitruración y la carbonitruración. Si bien la carburación introduce principalmente carbono, estos procesos relacionados incorporan nitrógeno o ambos elementos para lograr combinaciones de propiedades específicas.

La profundidad efectiva de la capa 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). Esta medición proporciona un método estandarizado para especificar y verificar los requisitos de carburación en diferentes aplicaciones.

El potencial de carbono describe la actividad termodinámica del carbono en la atmósfera de carburación en relación con la austenita, lo que determina el contenido máximo de carbono superficial alcanzable. Los procesos de carburación modernos controlan el potencial de carbono para lograr propiedades de capa consistentes.

Estos términos están interrelacionados, ya que la profundidad efectiva de la capa depende tanto del potencial de carbono durante el procesamiento como de la respuesta del material base a la carburación. Las especificaciones del proceso suelen incluir ambos parámetros para garantizar resultados consistentes.

8.2 Normas principales

La norma SAE AMS2759/7 "Carburación y tratamiento térmico de piezas carburizadas" establece requisitos integrales para aplicaciones aeroespaciales, incluyendo controles de procesos, métodos de prueba y criterios de aceptación. Esta norma es ampliamente referenciada para componentes de alto rendimiento.

La norma ISO 17804 "Fundación - Fundiciones de grafito esferoidal ausferrítico - Clasificación" incluye disposiciones para el endurecimiento de la superficie del hierro dúctil mediante carburación, lo que representa un estándar regional importante para los fabricantes europeos.

La norma china GB/T 9450 se diferencia de las normas occidentales al especificar parámetros de proceso más detallados basados ​​en la geometría y la aplicación del componente, lo que refleja diferentes prácticas industriales en los entornos de fabricación asiáticos.

8.3 Tendencias de desarrollo

La investigación actual se centra en el modelado computacional de la difusión del carbono en geometrías complejas, lo que permite predecir con precisión las propiedades de la carcasa antes de la fabricación. Estos modelos incorporan los efectos de los elementos de aleación y las variables del proceso para optimizar los ciclos de carburación.

La carburación asistida por plasma representa una tecnología emergente que acelera la difusión del carbono, reduciendo el consumo de energía y el tiempo de procesamiento. Esta técnica utiliza descarga eléctrica para activar especies de carbono, lo que permite temperaturas de procesamiento más bajas y una menor distorsión.

Los desarrollos futuros probablemente incluirán sistemas de monitorización en tiempo real que ajusten los parámetros de carburación basándose en mediciones in situ de la difusión del carbono. Estos sistemas adaptativos prometen mejorar la consistencia, a la vez que reducen el consumo de energía y el tiempo de procesamiento de los componentes carburados.