Endurecimiento superficial: creación de superficies de acero resistentes al desgaste para uso industrial

Definición y concepto básico

El cementado es un proceso metalúrgico que modifica la capa superficial de un metal ferroso aumentando su contenido de carbono o nitrógeno por difusión, creando una capa exterior dura y manteniendo un núcleo más blando y tenaz. Esta técnica de endurecimiento selectivo produce componentes con excelente resistencia al desgaste en la superficie, a la vez que conserva la resistencia al impacto y la ductilidad en el interior.

El proceso representa un enfoque fundamental para la ingeniería de superficies en metalurgia, permitiendo a los ingenieros optimizar requisitos de material contradictorios en un solo componente. El cementado une las propiedades del material a granel con los requisitos específicos de la superficie.

En el contexto más amplio de la metalurgia, el temple superficial ejemplifica el principio de la ingeniería de gradientes de propiedades, donde las características del material varían sistemáticamente a lo largo de la sección transversal de un componente. Este enfoque contrasta con los métodos de temple pasante y representa una de las técnicas más antiguas, aunque aún ampliamente empleadas, para mejorar el rendimiento del acero.

Naturaleza física y fundamento teórico

Mecanismo físico

A nivel microestructural, la cementación implica la difusión de carbono, nitrógeno o ambos elementos en las capas superficiales del acero. Estos átomos intersticiales ocupan espacios dentro de la red cristalina del hierro, creando distorsiones que impiden el movimiento de dislocación.

Los elementos difusos se combinan con el hierro y otros elementos de aleación para formar compuestos duros como carburos, nitruros o carbonitruros. Estos precipitados dificultan aún más el movimiento de dislocación y contribuyen significativamente al aumento de la dureza.

El gradiente de profundidad de los elementos difundidos crea un gradiente correspondiente en la microestructura y las propiedades, con la mayor concentración de elementos endurecedores y precipitados en la superficie, disminuyendo gradualmente hacia el núcleo.

Modelos teóricos

El principal modelo teórico que describe la cementación son las leyes de difusión de Fick, en particular la segunda ley, que explica la difusión en estado no estacionario. Este modelo describe cómo varía la concentración de carbono o nitrógeno con el tiempo y la distancia desde la superficie.

La comprensión histórica evolucionó desde el conocimiento artesanal empírico de las civilizaciones antiguas hasta la explicación científica en el siglo XIX. Se produjeron avances significativos con las leyes de difusión de Adolf Fick (1855) y su aplicación a la metalurgia por Roberts-Austen a finales del siglo XIX.

Los enfoques modernos incluyen modelos computacionales que incorporan múltiples especies difusoras, transformaciones de fase y efectos de tensión. Estos modelos avanzados, como DICTRA (Transformaciones Controladas por Difusión) y los métodos de campo de fase, proporcionan predicciones más precisas para sistemas de aleaciones complejos.

Fundamentos de la ciencia de los materiales

El cementado afecta profundamente la estructura cristalina al introducir átomos intersticiales que distorsionan la red cristalina. En la carburación, la fase austenítica cúbica centrada en las caras puede disolver una cantidad sustancial de carbono, que se transforma en martensita tetragonal centrada en el cuerpo tras el temple.

Los límites de grano sirven como vías de difusión rápida durante el proceso, pero también pueden actuar como puntos de precipitación para carburos o nitruros. El control del tamaño de grano durante la cementación es crucial, ya que los granos gruesos pueden reducir la tenacidad y la resistencia a la fatiga.

El proceso ejemplifica el principio de la ciencia de los materiales según el cual las propiedades están determinadas por la composición, el procesamiento y la microestructura resultante. La cementación manipula simultáneamente estos tres factores para lograr las características de rendimiento deseadas.

Métodos de expresión y cálculo matemático

Fórmula de definición básica

La ecuación fundamental que rige la difusión en el endurecimiento superficial es la segunda ley de Fick:

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

Donde $C$ es la concentración de la especie que se difunde (carbono o nitrógeno), $t$ es el tiempo, $x$ es la distancia desde la superficie y $D$ es el coeficiente de difusión.

Fórmulas de cálculo relacionadas

Para un sólido semiinfinito con concentración superficial constante, la solución de la segunda ley de Fick es:

$$\frac{C_x - C_0}{C_s - C_0} = 1 - \text{erf}\left(\frac{x}{2\sqrt{Dt}} \right)$$

Donde $C_x$ es la concentración en la profundidad $x$, $C_0$ es la concentración inicial, $C_s$ es la concentración en la superficie y $\text{erf}$ es la función de error.

El coeficiente de difusión $D$ varía con la temperatura según la ecuación de Arrhenius:

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

Donde $D_0$ es el factor preexponencial, $Q$ es la energía de activación para la difusión, $R$ es la constante del gas y $T$ es la temperatura absoluta.

Condiciones y limitaciones aplicables

Estos modelos de difusión asumen un material homogéneo sin rutas de difusión preferentes, como límites de grano o dislocaciones. En aceros reales, estas características microestructurales aceleran la difusión.

Los modelos suelen asumir coeficientes de difusión constantes, mientras que, en realidad, $D$ varía con la concentración. Los modelos más sofisticados incorporan coeficientes de difusión dependientes de la concentración.

Estas ecuaciones asumen condiciones isotérmicas, mientras que los procesos industriales suelen implicar variaciones de temperatura. Además, las transformaciones de fase durante el calentamiento y el enfriamiento complican el proceso de difusión más allá de estos modelos simples.

Métodos de medición y caracterización

Especificaciones de pruebas estándar

ASTM E384: Método de prueba estándar para dureza de materiales por microindentación, que cubre las pruebas de microdureza para determinar los perfiles de profundidad de la caja.

ISO 2639: Acero - Determinación y verificación de la profundidad efectiva de endurecimiento después del endurecimiento de la superficie, abordando específicamente la medición del endurecimiento superficial.

ASTM A1033: Práctica estándar para la medición cuantitativa y el informe de transformaciones de fases de acero al carbono hipoeutectoides y de baja aleación, relevante para el análisis microestructural de capas cementadas.

SAE J423: Métodos de medición de la profundidad de la caja, que proporciona pautas específicas de la industria para aplicaciones automotrices.

Equipos y principios de prueba

Los microdurómetros que utilizan indentadores Vickers o Knoop son instrumentos fundamentales para medir los gradientes de dureza a lo largo de la capa cementada. Estos dispositivos aplican pequeñas cargas (normalmente de 10 a 1000 gf) para crear indentaciones microscópicas.

La microscopía óptica con técnicas de grabado adecuadas revela el gradiente microestructural desde la superficie hasta el núcleo. El grabador de nital (ácido nítrico al 2-5 % en etanol) se utiliza habitualmente para distinguir entre martensita, ferrita y otras fases.

Las técnicas de microscopía electrónica, como la SEM y la TEM, proporcionan un análisis de mayor resolución de precipitados y distribuciones de fases. La EBSD (Difracción de Retrodispersión de Electrones) permite mapear las orientaciones cristalográficas a lo largo de la región cementada.

Requisitos de muestra

Las secciones transversales metalográficas estándar deben prepararse perpendicularmente a la superficie endurecida. Las muestras suelen montarse en resina, rectificarse y pulirse hasta obtener un acabado de espejo.

La preparación de la superficie requiere un pulido minucioso para evitar el redondeo de los bordes, que puede distorsionar las mediciones cerca de la superficie. El pulido final con una suspensión de alúmina o diamante de 0,05-0,1 μm es habitual.

Las muestras deben estar libres de artefactos de preparación, como capas de deformación o daños por calor que puedan alterar la microestructura o las lecturas de dureza.

Parámetros de prueba

Las pruebas de microdureza generalmente emplean cargas de 100 a 500 gf, con mediciones tomadas a intervalos regulares (normalmente de 0,05 a 0,1 mm) desde la superficie hacia adentro.

Las pruebas normalmente se realizan a temperatura ambiente (20-25 °C) en condiciones de laboratorio, aunque se pueden realizar pruebas especializadas de alta temperatura para aplicaciones específicas.

Los tiempos de permanencia para la sangría están estandarizados (normalmente entre 10 y 15 segundos) para garantizar resultados consistentes en diferentes materiales e instalaciones de prueba.

Proceso de datos

Los perfiles de dureza se construyen graficando los valores de dureza en función de la distancia desde la superficie. La profundidad de la caja se define comúnmente como la profundidad a la que la dureza disminuye hasta un valor específico (p. ej., 550 HV o 50 HRC).

Los métodos estadísticos incluyen el cálculo de la profundidad efectiva de la caja (Eht), definida como la distancia perpendicular desde la superficie hasta donde la dureza es igual a 550 HV.

Se promedian múltiples mediciones a lo largo de diferentes direcciones radiales para tener en cuenta las posibles variaciones en la profundidad de la caja alrededor de un componente.

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 a 900-950 °C, 4-20 horas	SAE J423
Acero al carbono medio (1045, 1050)	0,3-1,5 milímetros	Carbonitruración a 800-870 °C, 2-8 horas	ASTM A1033
Acero aleado (4140, 4340)	0,8-3,0 mm	Carburación de gas a 925-975 °C, 6-24 horas	ISO 2639
Acero para herramientas (A2, D2)	0,1-0,5 mm	Nitruración a 500-550 °C, 10-60 horas	DIN 50190

Las variaciones en la profundidad de la capa dentro de cada clasificación dependen principalmente del tiempo de proceso, la temperatura y el potencial de carbono. Temperaturas más altas y tiempos más prolongados producen capas más profundas, pero pueden causar crecimiento del grano.

Al interpretar estos valores, los ingenieros deben tener en cuenta que la dureza máxima normalmente ocurre ligeramente debajo de la superficie debido a la descarburación o la austenita retenida en la capa más externa.

Una tendencia general muestra que los aceros de mayor aleación logran una mayor dureza superficial, pero pueden requerir tiempos de procesamiento más prolongados para alcanzar profundidades de caja equivalentes en comparación con los aceros al carbono simples.

Análisis de aplicaciones de ingeniería

Consideraciones de diseño

Los ingenieros suelen especificar la profundidad de la caja basándose en cálculos de distribución de la tensión de contacto. Como regla general, la profundidad de la caja debe extenderse más allá de la zona de esfuerzo cortante máximo, típicamente 0,3 veces el ancho de contacto hertziano.

Los factores de seguridad para la profundidad de la caja generalmente varían entre 1,2 y 1,5 para aplicaciones normales y aumentan a 2,0-2,5 para componentes críticos sujetos a cargas de impacto o patrones de tensión impredecibles.

Las decisiones de selección de materiales equilibran las propiedades principales (tenacidad, maquinabilidad) con la templabilidad superficial. A menudo se seleccionan aceros bajos en carbono con elementos de aleación específicos (Mn, Cr, Mo) para optimizar ambos aspectos.

Áreas de aplicación clave

Los sistemas de propulsión de automóviles dependen en gran medida de componentes cementados, en particular engranajes y ejes. Estos componentes requieren una excelente resistencia al desgaste en las superficies de los dientes, manteniendo al mismo tiempo la tenacidad en el núcleo para absorber las cargas de impacto y evitar fallos catastróficos.

Las aplicaciones aeroespaciales utilizan la cementación para componentes del tren de aterrizaje y sistemas de actuadores. Estas aplicaciones exigen una excepcional resistencia a la fatiga, combinada con una alta resistencia del núcleo para soportar condiciones de carga extremas.

La maquinaria pesada y los equipos de minería incorporan componentes cementados para herramientas de corte, piezas de trituradoras y elementos de transmisión de potencia. Estas aplicaciones se benefician de la combinación de resistencia al desgaste y tenacidad al impacto en entornos abrasivos.

Compensaciones en el rendimiento

La cementación implica una desventaja inherente con la maquinabilidad. Mientras que los materiales de núcleo blando son relativamente fáciles de mecanizar, la cementación dura requiere operaciones de rectificado que incrementan los costos y la complejidad de fabricación.

El rendimiento a la fatiga presenta otra desventaja. Si bien el endurecimiento superficial generalmente mejora la resistencia a la fatiga al prevenir la formación de grietas, las capas excesivamente profundas pueden reducir la tenacidad general y promover la fractura frágil bajo cargas de impacto.

Los ingenieros equilibran estos requisitos contrapuestos especificando cuidadosamente la profundidad de la capa, el perfil de dureza y la distribución de la tensión residual. Se prefieren transiciones graduales entre las propiedades de la capa y el núcleo a discontinuidades pronunciadas que podrían actuar como concentradores de tensión.

Análisis de fallos

El aplastamiento de la carcasa representa un modo de falla común en el que una tensión de contacto excesiva provoca una deformación plástica subsuperficial del núcleo, lo que genera agrietamiento de la carcasa y eventual desconchado de la capa endurecida.

Este mecanismo de falla generalmente progresa desde una deformación plástica inicial del subsuelo hasta la formación de microfisuras en la interfaz entre la carcasa y el núcleo, seguida de una propagación de grietas paralela a la superficie y un eventual desprendimiento del material.

Las estrategias de mitigación incluyen especificar profundidades de caja más profundas para aplicaciones de alta carga, asegurar una dureza de núcleo adecuada mediante la selección de la aleación correcta e introducir tensiones residuales de compresión mediante granallado u otros tratamientos de superficie.

Factores influyentes y métodos de control

Influencia de la composición química

El contenido de carbono en el material base afecta significativamente la respuesta de cementación. Los aceros de bajo contenido de carbono (0,1-0,25 % C) son ideales para la carburación, mientras que los de medio contenido de carbono (0,3-0,5 % C) son más adecuados para la carbonitruración o la nitrocarburación.

Elementos de aleación como el cromo, el molibdeno y el manganeso mejoran la templabilidad al retardar la formación de perlita durante el temple. El níquel mejora la tenacidad del núcleo, manteniendo la templabilidad superficial.

Los enfoques de optimización incluyen la selección de aceros con composiciones equilibradas que proporcionen propiedades de núcleo adecuadas y respondan bien a los tratamientos de cementación. Elementos como el boro pueden mejorar drásticamente la templabilidad, incluso en cantidades traza (0,001-0,003%).

Influencia microestructural

El tamaño de grano fino mejora la difusión al proporcionar una mayor área límite de grano, lo que resulta en una capa más profunda y uniforme. Los tamaños de grano ASTM 5-8 suelen ser los más adecuados para aplicaciones de cementación.

La distribución de fases antes del tratamiento influye significativamente en las propiedades finales. Una microestructura inicial homogénea garantiza una absorción uniforme de carbono o nitrógeno, mientras que las estructuras bandeadas pueden provocar una formación irregular de la capa.

Las inclusiones no metálicas pueden alterar la continuidad de la caja y actuar como concentradores de tensiones. Los aceros modernos limpios con morfología y distribución controladas de las inclusiones minimizan estos efectos perjudiciales.

Influencia del procesamiento

Los parámetros del tratamiento térmico, en particular la temperatura y el tiempo de austenización, controlan el tamaño del grano y la disolución de los carburos. Las temperaturas más altas aceleran la difusión, pero conllevan el riesgo de un crecimiento excesivo del grano.

El trabajo mecánico previo al temple superficial puede refinar la estructura del grano y romper las redes de carburo, mejorando así la uniformidad de la difusión. El trabajo en frío introduce dislocaciones que actúan como atajos para la difusión.

La velocidad de enfriamiento durante el temple determina la microestructura tanto de la carcasa como del núcleo. El temple en aceite proporciona velocidades de enfriamiento moderadas, adecuadas para muchos aceros aleados, mientras que el temple en agua o polímero puede ser necesario para aceros al carbono simples.

Factores ambientales

Las temperaturas de funcionamiento elevadas pueden templar la capa martensítica, reduciendo así su dureza. Los componentes diseñados para servicio a alta temperatura pueden requerir capas más profundas o métodos de endurecimiento alternativos.

Los entornos corrosivos pueden atacar preferentemente la interfaz vaina-núcleo si un procesamiento inadecuado crea redes de carburo o segregación. Un revenido y alivio de tensiones adecuados minimizan esta susceptibilidad.

La exposición cíclica a temperaturas puede provocar fatiga térmica y desconchado de la carcasa, en particular en aplicaciones con ciclos rápidos de calentamiento y enfriamiento, como matrices de conformado en caliente o equipos de procesamiento térmico.

Métodos de mejora

Los tratamientos dúplex que combinan diferentes métodos de cementación pueden optimizar las propiedades superficiales. Por ejemplo, la carburación seguida de la nitruración crea una capa superficial excepcionalmente dura y resistente al desgaste.

Los procesos de posendurecimiento, como el tratamiento criogénico, pueden convertir la austenita retenida en martensita, lo que aumenta la dureza superficial y la estabilidad dimensional. El revenido posterior alivia las tensiones y mejora la tenacidad.

Consideraciones de diseño como filetes generosos en los cambios de sección y transiciones graduales en la geometría del componente ayudan a minimizar las concentraciones de tensión que podrían provocar grietas en la carcasa bajo carga.

Términos y normas relacionados

Términos relacionados

El endurecimiento pasante se refiere al endurecimiento uniforme en toda la sección transversal de un componente, a diferencia del método de cementación por gradiente. Este método se utiliza cuando se requieren propiedades consistentes en toda la pieza.

El endurecimiento de la superficie abarca varias técnicas que mejoran las propiedades de la superficie sin cambiar necesariamente la composición química, incluido el endurecimiento por llama y el endurecimiento por inducción, que se basan en un calentamiento y enfriamiento rápidos.

La templabilidad describe la capacidad de un acero para formar martensita a profundidades específicas cuando se templa, lo que afecta directamente la profundidad de caja alcanzable y el perfil de dureza en los componentes endurecidos por caja.

Normas principales

SAE J2721: Componentes de acero endurecido diseñados para uso automotriz: la medición efectiva de la profundidad de la caja proporciona pautas integrales para aplicaciones automotrices, incluidos métodos de muestreo y criterios de aceptación.

ISO 15787: Documentación técnica de producto - Piezas ferrosas tratadas térmicamente - Presentación e indicaciones establece convenciones internacionales para especificar los requisitos de endurecimiento superficial en los dibujos de ingeniería.

Las normas nacionales y específicas de cada sector suelen tener requisitos diferentes para la medición y verificación de la profundidad de la caja. Por ejemplo, las normas aeroespaciales suelen exigir pruebas y documentación más rigurosas que las normas industriales generales.

Tendencias de desarrollo

Las herramientas de simulación avanzadas que incorporan termodinámica y cinética computacionales permiten una predicción más precisa de los perfiles y propiedades de los casos, reduciendo el tiempo de desarrollo y optimizando los procesos.

Los procesos de carburación a baja presión y basados ​​en plasma representan tecnologías emergentes que brindan profundidades de caja más uniformes, menor distorsión y alternativas ecológicas a la carburación a gas tradicional.

Es probable que los desarrollos futuros se centren en perfiles de carcasa personalizados con gradientes diseñados para optimizar los requisitos de rendimiento específicos, yendo más allá del enfoque tradicional de maximizar la dureza de la superficie.