Cianuración: proceso de endurecimiento superficial para mejorar las propiedades del acero

Definición y concepto básico

La cianuración es un proceso de tratamiento térmico de endurecimiento superficial del acero que consiste en la difusión simultánea de carbono y nitrógeno en la capa superficial del componente mediante su calentamiento en un baño de sales de cianuro fundidas. Este proceso termoquímico crea una carcasa dura y resistente al desgaste, manteniendo un núcleo relativamente tenaz, lo que mejora significativamente las propiedades superficiales del componente sin alterar sus características generales.

El proceso pertenece a la familia de técnicas de cementación y representa un método importante en la ingeniería de superficies de materiales ferrosos. La cianuración ocupa un lugar destacado dentro del amplio campo de la metalurgia, conectando los procesos de carburación y nitruración al combinar aspectos de ambos para lograr propiedades superficiales únicas.

En la jerarquía de los tratamientos térmicos del acero, la cianuración se clasifica como un proceso de difusión termoquímica que modifica la composición química de la superficie en lugar de solo alterar la microestructura a través de ciclos térmicos únicamente.

Naturaleza física y fundamento teórico

Mecanismo físico

A nivel atómico, la cianuración implica la difusión simultánea de átomos de carbono y nitrógeno en la red de hierro de la superficie del acero. Estos átomos intersticiales ocupan espacios entre los átomos de hierro en la estructura cristalina, lo que causa distorsión de la red y refuerza el material mediante mecanismos de fortalecimiento por solución sólida.

El proceso suele ocurrir a temperaturas de entre 760 y 870 °C, donde la fase austenítica del acero presenta mayor solubilidad en carbono y nitrógeno. Los átomos difundidos forman carbonitruros complejos con el hierro y los elementos de aleación presentes en el acero, creando un gradiente de composición desde la superficie hacia el interior.

La caja resultante contiene una mezcla de carburos de hierro, nitruros y carbonitruros que aumentan significativamente la dureza a través del endurecimiento por precipitación y mecanismos de fortalecimiento por solución sólida.

Modelos teóricos

El principal modelo teórico que describe la cianuración se basa en las leyes de difusión de Fick, en particular la segunda ley, que explica el perfil de concentración dependiente del tiempo. Este modelo describe cómo los átomos de carbono y nitrógeno se desplazan desde el baño de sal de alta concentración hacia la superficie del acero de menor concentración.

Históricamente, la comprensión del cianuro evolucionó desde observaciones empíricas a principios del siglo XX a modelos más sofisticados basados ​​en la difusión en la década de 1950. Los primeros herreros habían utilizado versiones primitivas del proceso sin comprender la ciencia subyacente.

Los enfoques modernos incluyen modelos computacionales que consideran la difusión simultánea de múltiples especies (C y N), sus interacciones y la formación de diversos compuestos durante el proceso. Estos modelos incorporan bases de datos termodinámicas para predecir la formación de fases y parámetros cinéticos para estimar las tasas de difusión.

Fundamentos de la ciencia de los materiales

La cianuración afecta directamente la estructura cristalina del acero al introducir átomos intersticiales de carbono y nitrógeno en la red austenítica cúbica centrada en las caras (FCC) durante el tratamiento. Al enfriarse, estos elementos forman diversos compuestos y distorsionan la estructura ferrítica cúbica centrada en el cuerpo (BCC).

El proceso crea una microestructura en gradiente con una alta concentración de carbonitruros cerca de la superficie, que disminuye gradualmente hacia el núcleo. Este gradiente resulta en un perfil de dureza correspondiente que transita de la capa dura a un núcleo más blando.

El principio fundamental de la ciencia de los materiales que subyace a la cianuración es la difusión controlada, donde el movimiento de los átomos sigue gradientes de concentración según las fuerzas termodinámicas impulsoras. Este proceso ejemplifica cómo la manipulación de la distribución atómica puede alterar drásticamente las propiedades macroscópicas de los materiales.

Métodos de expresión y cálculo matemático

Fórmula de definición básica

La profundidad de difusión en la cianuración sigue la segunda ley de difusión de Fick, que se puede simplificar para un sólido semiinfinito con concentración superficial constante como:

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

Donde $C(x,t)$ es la concentración en la profundidad $x$ después del tiempo $t$, $C_s$ es la concentración en la superficie, $C_0$ es la concentración inicial en el acero, $D$ es el coeficiente de difusión y erf es la función de error.

Fórmulas de cálculo relacionadas

La profundidad efectiva del caso se puede estimar utilizando:

$$x_{eff} = k \sqrt{Dt}$$

Donde $x_{eff}$ es la profundidad efectiva del caso, $k$ es una constante dependiente del proceso (normalmente 2-5), $D$ es el coeficiente de difusión y $t$ es el tiempo del proceso.

El coeficiente de difusión sigue una relación 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

Estas fórmulas son válidas principalmente para aceros al carbono simples con un contenido de carbono inferior al 0,25 % y cuando la temperatura de cianuración se mantiene constante durante todo el proceso. Los modelos asumen una geometría semiinfinita y no consideran los efectos de borde.

Los modelos matemáticos presentan limitaciones al aplicarse a geometrías complejas o aceros altamente aleados, donde pueden formarse barreras de difusión. Tampoco consideran la formación simultánea de compuestos que pueden alterar las velocidades de difusión.

Estos cálculos presuponen que la concentración superficial se mantiene constante, lo que requiere una agitación adecuada del baño y un control adecuado de la concentración. En la práctica, el agotamiento del baño y la contaminación pueden afectar los perfiles de difusión reales.

Métodos de medición y caracterización

Especificaciones de pruebas estándar

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

ISO 18203: Acero - Determinación del espesor de capas superficiales endurecidas - Proporciona métodos para medir la profundidad de la capa en aceros endurecidos.

ASTM A965/A965M: Especificación estándar para piezas forjadas de acero austenítico para piezas sometidas a presión y alta temperatura. Incluye requisitos para componentes cianurados.

SAE J423: Métodos para medir la profundidad de la carcasa: detalla los procedimientos para determinar la profundidad efectiva de la carcasa en aceros endurecidos superficialmente.

Equipos y principios de prueba

Los microdurómetros con indentadores Vickers o Knoop se utilizan comúnmente para medir perfiles de dureza desde la superficie hasta el núcleo. Estos instrumentos aplican cargas pequeñas y precisas (normalmente de 10 a 1000 gf) para crear indentaciones microscópicas.

La microscopía óptica con técnicas de grabado revela los cambios microestructurales entre la caja y el núcleo. Se suelen utilizar reactivos de grabado de nital o picral para diferenciar la microestructura de la caja de la del núcleo.

La microscopía electrónica (SEM/TEM) con capacidad EDS proporciona un análisis detallado de la distribución de carbonitruro y de los gradientes de composición química a lo largo de la interfaz caja-núcleo.

Requisitos de muestra

Las secciones transversales metalográficas estándar deben prepararse perpendicularmente a la superficie tratada. Las muestras suelen medir entre 10 y 25 mm de longitud y deben abarcar toda la profundidad de la caja.

La preparación de la superficie requiere un pulido y esmerilado cuidadosos para evitar el redondeo de los bordes, que puede distorsionar las mediciones de profundidad de la caja. Se recomienda un pulido final con pasta de diamante de 1 μm o más fina.

Las muestras deben estar libres de descarburación u otros artefactos de tratamiento térmico que podrían afectar la interpretación de la caja cianurada.

Parámetros de prueba

Las pruebas de microdureza se realizan generalmente a temperatura ambiente (23 ± 5 °C) en un entorno sin vibraciones. Es importante controlar la humedad para evitar la corrosión de las superficies preparadas.

Para las pruebas de microdureza Vickers, se aplican cargas estándar de 100 a 500 gf con tiempos de permanencia de 10 a 15 segundos. Las indentaciones suelen estar espaciadas a intervalos de 0,1 mm desde la superficie hacia el interior.

El examen metalográfico requiere condiciones de grabado adecuadas, normalmente una solución de nital del 2 al 5 % aplicada durante 5 a 15 segundos.

Proceso de datos

Los valores de dureza se recopilan a profundidades crecientes desde la superficie y se grafican para crear una curva de perfil de dureza. La profundidad efectiva de la caja se define típicamente como la profundidad donde la dureza es igual a la dureza del núcleo más 50 HV.

El análisis estadístico suele incluir el cálculo del promedio y la desviación estándar de múltiples mediciones en cada posición de profundidad. Se recomiendan al menos cinco mediciones para obtener resultados fiables.

Los valores de profundidad final del caso se determinan interpolando entre puntos de medición para encontrar la profundidad exacta correspondiente al umbral de dureza definido.

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 0,075-0,25 mm	760-820 °C, 0,5-2 horas	SAE J423
Acero al carbono medio (1045)	Profundidad de caja de 0,10-0,30 mm	800-850 °C, 1-3 horas	ASTM A965
Acero de baja aleación (4140)	Profundidad de caja de 0,15-0,40 mm	820-870 °C, 1-4 horas	ISO 18203
Acero para herramientas (A2, D2)	Profundidad de caja de 0,20-0,50 mm	840-870 °C, 2-6 horas	ASTM E384

Las profundidades de la capa varían significativamente dentro de cada clasificación de acero debido a las diferencias en el contenido de carbono base y los elementos de aleación que afectan las tasas de difusión. Los aceros de mayor aleación suelen desarrollar capas menos profundas, pero más duras, debido a la formación de carbonitruros complejos.

Al interpretar estos valores, los ingenieros deben considerar que la profundidad efectiva de la caja (definida por el umbral de dureza) suele ser menor que la profundidad total de la caja (definida por los cambios microestructurales). El gradiente de dureza, más que la profundidad máxima, suele ser más importante para las aplicaciones de desgaste.

Análisis de aplicaciones de ingeniería

Consideraciones de diseño

Los ingenieros suelen especificar profundidades de capa de cianuración de 0,1 a 0,3 mm para la mayoría de las aplicaciones, buscando un equilibrio entre la dureza superficial, el tiempo y el coste del proceso. Se suelen aplicar factores de seguridad de 1,5 a 2,0 a la profundidad mínima requerida para tener en cuenta las variaciones del proceso.

La selección de materiales para la cianuración suele favorecer los aceros con bajo a medio contenido de carbono (0,1-0,3 % C) con un mínimo de elementos de aleación que puedan dificultar la difusión. Es necesario considerar las propiedades del núcleo junto con los requisitos de la caja para garantizar el rendimiento general del componente.

Los diseñadores deben tener en cuenta los cambios dimensionales durante la cianuración, típicamente un crecimiento de 0,02 a 0,05 mm por superficie, lo que puede afectar las tolerancias en los componentes de precisión. Las dimensiones críticas suelen terminarse después del tratamiento térmico.

Áreas de aplicación clave

La industria automotriz utiliza ampliamente componentes cianurados para engranajes, ejes y varillajes donde se requiere una resistencia moderada al desgaste sin las mayores profundidades de la carburación. Estas piezas se benefician de la combinación de dureza y resistencia a la corrosión que proporciona la capa de carbono-nitrógeno.

Las aplicaciones de herramientas y matrices aprovechan la cianuración para herramientas de corte, punzones y matrices de conformado que requieren una excelente resistencia al desgaste y un impacto moderado. El contenido de nitrógeno en la caja proporciona mayor dureza y resistencia al revenido que las piezas carburizadas.

Los componentes de las armas de fuego, en particular los mecanismos de disparo y los pasadores pequeños, se benefician de la carcasa delgada y rígida que proporciona el cianurado sin distorsionar su geometría precisa. Este proceso permite endurecer componentes pequeños que serían difíciles de tratar con otros métodos.

Compensaciones en el rendimiento

La cianuración crea una capa más dura pero más delgada que la carburación, lo que resulta en una excelente resistencia al desgaste para aplicaciones de trabajo ligero, pero una profundidad potencialmente insuficiente para aplicaciones de alta carga. Los ingenieros deben equilibrar la profundidad de la capa con el tiempo y el costo del procesamiento.

El proceso aumenta la dureza superficial, pero puede reducir la resistencia a la fatiga si no se controla adecuadamente, ya que la interfaz vaina-núcleo puede convertirse en un punto de concentración de tensiones. A menudo se requiere un revenido posterior al tratamiento para optimizar este equilibrio.

Los ingenieros deben considerar las normativas ambientales y de seguridad al seleccionar la cianuración frente a otros procesos de cementación, ya que las sales de cianuro tradicionales son altamente tóxicas. A pesar de los costos potencialmente más elevados, se pueden preferir procesos alternativos o formulaciones de sales modernas con menor toxicidad.

Análisis de fallos

El desprendimiento es común en componentes cianurados sometidos a una tensión de contacto excesiva, donde la delgada capa endurecida se fractura y se separa del sustrato. Esto suele comenzar con la formación de grietas subsuperficiales en la interfaz entre la capa y el núcleo.

El mecanismo de falla progresa a través de la propagación de grietas paralelas a la superficie, seguidas por el desprendimiento de pedazos de la carcasa endurecida, revelando el material del núcleo más blando, que luego se desgasta rápidamente bajo una carga continua.

Para mitigar estos riesgos, los ingenieros pueden especificar profundidades de carcasa más profundas, incorporar alivio de tensión después del tratamiento y garantizar propiedades adecuadas del núcleo mediante la selección del material y un tratamiento térmico previo.

Factores influyentes y métodos de control

Influencia de la composición química

El contenido de carbono en el acero base afecta significativamente los resultados de cianuración, y los aceros con contenido medio de carbono (0,3-0,5 % C) desarrollan una mayor dureza de caja, pero cajas potencialmente más frágiles que los aceros con bajo contenido de carbono (0,1-0,25 % C).

El cromo, el molibdeno y el vanadio presentes en el acero forman carbonitruros estables durante la cianuración, lo que aumenta la dureza, pero puede reducir la profundidad de la caja debido a una difusión más lenta. Estos elementos suelen mejorar la resistencia al desgaste de la caja.

El silicio por encima del 0,6 % puede inhibir la difusión de carbono y nitrógeno, mientras que el manganeso promueve una penetración más profunda y una formación de vaina más uniforme. La optimización de estos elementos puede ayudar a lograr las características de vaina deseadas.

Influencia microestructural

Un tamaño de grano inicial más fino promueve una difusión más uniforme y la formación de capa durante la cianuración. Los aceros con tamaños de grano ASTM entre 5 y 8 suelen ofrecer resultados óptimos con perfiles de dureza más consistentes.

El trabajo en frío previo puede acelerar la difusión a lo largo de los planos de deslizamiento y las dislocaciones, lo que podría generar profundidades de capa desiguales. Se recomienda la normalización o el recocido antes de la cianuración para los componentes trabajados en frío.

Las inclusiones no metálicas y las redes de carburo pueden crear discontinuidades en la caja, lo que provoca puntos blandos localizados o posibles puntos de inicio de fallas. Los aceros limpios con mínimas inclusiones producen cajas cianuradas más consistentes.

Influencia del procesamiento

La temperatura del tratamiento térmico afecta directamente las tasas de difusión. Las temperaturas más altas (850-870 °C) producen capas más profundas, pero pueden causar el crecimiento del grano. Las temperaturas más bajas (760-800 °C) producen capas menos profundas, pero a menudo de grano más fino.

La selección del medio de temple influye significativamente en la distorsión y la tensión residual. El temple en aceite proporciona velocidades de enfriamiento moderadas, adecuadas para la mayoría de las piezas cianuradas, mientras que el temple en agua o polímero puede utilizarse para obtener la máxima dureza en geometrías simples.

El revenido posterior a la cianuración a 150-200 °C alivia las tensiones de temple sin reducir significativamente la dureza superficial. Se pueden utilizar temperaturas de revenido más altas cuando la tenacidad es más crítica que la dureza máxima.

Factores ambientales

La temperatura de funcionamiento afecta significativamente a los componentes cianurados, y la retención de dureza normalmente está limitada a 200-250 °C debido a los efectos del templado y la difusión de nitrógeno fuera de la caja a temperaturas elevadas.

Los entornos corrosivos pueden acelerar la degradación de las vainas cianuradas, aunque el contenido de nitrógeno proporciona cierta resistencia inherente a la corrosión en comparación con las superficies carburizadas puramente. En entornos severos, podrían requerirse recubrimientos protectores adicionales.

La carga cíclica a temperaturas elevadas puede acelerar la degradación de la carcasa debido a efectos mecánicos y térmicos combinados. Este comportamiento dependiente del tiempo debe tenerse en cuenta en componentes para aplicaciones dinámicas de alta temperatura.

Métodos de mejora

Los procesos de doble tratamiento que incluyen cianuración seguida de nitruración pueden crear superficies excepcionalmente duras con mayor estabilidad térmica. Este enfoque metalúrgico combina las ventajas de ambos procesos, pero incrementa el coste y el tiempo de procesamiento.

La química controlada de los baños de sal, con monitoreo y mantenimiento regulares, garantiza potenciales de carbono y nitrógeno constantes, lo que resulta en propiedades de caja más predecibles. Las formulaciones modernas de sal con toxicidad reducida mejoran la seguridad del proceso.

El diseño de componentes con un espesor de sección uniforme y transiciones graduales ayuda a lograr profundidades de caja más consistentes y reduce la distorsión durante el enfriamiento, optimizando el resultado del proceso de cianuración.

Términos y normas relacionados

Términos relacionados

La carbonitruración es un proceso en fase gaseosa similar a la cianuración, pero que se realiza en hornos de atmósfera controlada con amoníaco y gases de hidrocarburos. Generalmente produce composiciones de caja similares, pero con diferentes equipos de procesamiento y consideraciones de seguridad.

La nitrocarburación es un proceso de temperatura más baja (550-580 °C) que crea una capa compuesta rica en nitrógeno con algo de carbono, principalmente para mejorar la resistencia al desgaste y a la corrosión en lugar del endurecimiento profundo logrado con la cianuración.

La nitruración líquida se refiere a tratamientos de baño de sal que difunden principalmente nitrógeno en lugar de carbono en la superficie del acero, creando casos con composiciones y propiedades compuestas diferentes a las de la cianuración.

Normas principales

La norma ISO 9950:1995 "Aceites de enfriamiento industriales. Determinación de las características de enfriamiento. Método de prueba de sonda de aleación de níquel" proporciona métodos estandarizados para evaluar los medios de enfriamiento utilizados después de los tratamientos de cianuración.

ASTM A957/A957M "Especificación estándar para fundiciones de inversión, acero y aleación, requisitos comunes, para uso industrial general" incluye disposiciones para fundiciones de inversión cianuradas utilizadas en aplicaciones industriales.

Las regulaciones ambientales nacionales y regionales, como las directrices REACH de la UE y la EPA de los EE. UU., restringen cada vez más los procesos tradicionales basados ​​en cianuro, lo que impulsa la adopción de tecnologías alternativas con resultados metalúrgicos similares.

Tendencias de desarrollo

La investigación de alternativas respetuosas con el medio ambiente a las sales de cianuro tradicionales continúa avanzando, con formulaciones modificadas que contienen compuestos de menor toxicidad que brindan resultados metalúrgicos similares al tiempo que reducen los riesgos ambientales y de seguridad.

Las herramientas de simulación avanzadas que incorporan termodinámica y cinética computacionales están mejorando la predicción de perfiles y propiedades de casos, reduciendo la necesidad de realizar ensayos experimentales extensos al desarrollar procesos de cianuración para nuevos componentes.

La integración del cianurado con otras técnicas de ingeniería de superficies, como los recubrimientos PVD posteriores o los tratamientos de superficies con láser, representa una tendencia creciente para crear superficies multifuncionales con características de rendimiento optimizadas más allá de lo que el cianurado por sí solo puede proporcionar.