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El endurecimiento superficial o carburación es el proceso de introducir carbono en la superficie de un objeto de hierro con bajo contenido de carbono, o más comúnmente de un objeto de acero con bajo contenido de carbono, para endurecer la superficie.
El hierro con un contenido de carbono superior a ~0,02 % se conoce como acero . El acero con un contenido de carbono superior a ~0,25 % se puede endurecer directamente calentándolo a unos 600 °C (1112 °F) y enfriándolo rápidamente, a menudo sumergiéndolo en agua o aceite, proceso conocido como temple . El endurecimiento es deseable para los componentes metálicos porque aumenta su resistencia y durabilidad, aunque, como contrapartida, el acero endurecido suele ser más frágil y menos maleable que cuando está en estado blando.
Para obtener una capa superficial dura en aceros con menos del 0,2 % de carbono, se puede introducir carbono en la superficie calentando el acero en presencia de alguna sustancia rica en carbono, como carbón vegetal en polvo o gas hidrocarburo. Esto provoca que el carbono se difunda en la superficie del acero. El espesor de esta capa de alto contenido de carbono depende del tiempo de exposición, pero 0,5 mm es un espesor típico. Una vez hecho esto, el acero debe calentarse y enfriarse bruscamente para endurecer esta capa superficial con mayor contenido de carbono. Debajo de esta capa, el núcleo del acero permanecerá blando debido a su bajo contenido de carbono.
Historia
La fundición de hierro primitiva utilizaba hornos de forja que convertían el mineral de hierro en hierro metálico calentándolo en un horno que quemaba madera y carbón vegetal. Dado que las temperaturas que se podían alcanzar con este método generalmente estaban por debajo del punto de fusión del hierro, en realidad no se fundía, sino que se convertía en una matriz esponjosa de hierro metálico/escoria. Esta matriz requería ser recalentada y martillada para extraer la mayor cantidad posible de escoria, con el fin de producir un hierro forjado maleable con bajo contenido de carbono que luego podía forjarse para fabricar herramientas, etc. Debido a su bajo contenido de carbono, el hierro forjado es bastante blando, por lo que una hoja de cuchillo, por ejemplo, no se podía mantener muy afilada; se desafilaba rápidamente y se doblaba con facilidad.
Con la mejora de las técnicas de fundición, se lograron temperaturas más altas en los hornos, suficientes para fundir completamente el hierro. Sin embargo, durante este proceso, el hierro absorbía carbono del carbón vegetal o coque utilizado para calentarlo. Esto daba como resultado hierro fundido con un contenido de carbono de alrededor del 3 %, denominado hierro fundido . Este hierro líquido podía moldearse en formas complejas, pero debido a su alto contenido de carbono, era muy quebradizo, nada maleable y totalmente inadecuado para fabricar, por ejemplo, la hoja de un cuchillo. Se requería un procesamiento adicional para eliminar el exceso de carbono del hierro fundido y crear hierro forjado maleable (los últimos avances en este sentido fueron el convertidor Bessemer y el proceso Siemens ).
Tras eliminar casi todo el carbono del hierro fundido, se obtenía un metal muy maleable y dúctil , pero poco duro e incapaz de endurecerse mediante calentamiento y enfriamiento rápido. Esto dio lugar a la introducción del endurecimiento superficial. El producto resultante, endurecido superficialmente, combina gran parte de la maleabilidad y tenacidad de un núcleo de acero con bajo contenido de carbono con la dureza y resistencia de la capa exterior de acero con alto contenido de carbono.
El método tradicional de aplicar el carbono a la superficie del hierro consistía en introducirlo en una mezcla de material rico en carbono, como hueso molido y carbón vegetal , o una combinación de cuero , pezuñas , sal y orina , todo dentro de una caja bien sellada (la "caja"). Este paquete carburizante se calentaba a alta temperatura —pero aún por debajo del punto de fusión del hierro— y se mantenía a esa temperatura durante un tiempo. Cuanto más tiempo se mantuviera el paquete a alta temperatura, más profundamente se difundiría el carbono en la superficie. Se requieren diferentes profundidades de endurecimiento para diferentes propósitos: las herramientas afiladas necesitan un endurecimiento profundo para permitir el afilado y reafilado sin exponer el núcleo blando, mientras que las piezas de maquinaria, como los engranajes, pueden necesitar solo un endurecimiento superficial para aumentar la resistencia al desgaste.
La pieza resultante, endurecida superficialmente, puede presentar una decoloración distintiva si el material de carbono se mezcla con materia orgánica, como se describió anteriormente. El acero se oscurece significativamente y muestra un patrón moteado de negro, azul y púrpura, causado por los diversos compuestos formados a partir de impurezas en el hueso y el carbón. Esta superficie de óxido funciona de manera similar al pavonado , proporcionando cierto grado de resistencia a la corrosión, así como un acabado atractivo. El color de la capa endurecida se refiere a este patrón y se encuentra comúnmente como acabado decorativo en armas de fuego .
El acero cementado combina una dureza y una tenacidad extremas, características difíciles de igualar con aleaciones homogéneas, ya que los aceros homogéneos duros tienden a ser frágiles, especialmente aquellos cuya dureza depende únicamente del contenido de carbono. Los aceros aleados que contienen níquel, cromo o molibdeno pueden alcanzar valores muy altos de dureza, resistencia o elongación, pero a un costo mayor que un artículo cementado con un núcleo de bajo contenido de carbono.
Química
El carbono en sí es sólido a temperaturas de cementación y, por lo tanto, inmóvil. El transporte a la superficie del acero se produce en forma de monóxido de carbono gaseoso , generado por la descomposición del compuesto carburizante y el oxígeno contenido en la caja sellada. Esto ocurre con carbono puro, pero demasiado lentamente para ser aprovechable. Si bien se requiere oxígeno para este proceso, este se recircula a través del ciclo de CO y, por lo tanto, puede llevarse a cabo dentro de una caja sellada (la "caja"). El sellado es necesario para evitar que el CO se filtre o se oxide a CO₂ por el exceso de aire exterior.
Agregar un "energizante" de carbonato fácilmente descomponible, como el carbonato de bario, se descompone en BaO + CO 2 y esto fomenta la reacción:
- C (del donante) + CO₂ <—> 2 CO
aumentando la abundancia total de CO y la actividad del compuesto carburante. [ 1 ]
Es un error común creer que el endurecimiento superficial se realizaba con hueso, pero esto es engañoso. Si bien se utilizaba hueso, el principal donante de carbono era el casco y el cuerno. El hueso contiene algunos carbonatos, pero es principalmente fosfato de calcio (en forma de hidroxiapatita ). Esto no tiene el efecto beneficioso de estimular la producción de CO y, además, puede introducir fósforo como impureza en la aleación de acero.
Uso moderno
Tanto los aceros al carbono como los aleados son aptos para el cementado; normalmente se utilizan aceros dulces con bajo contenido de carbono , generalmente inferior al 0,3 % (véase acero al carbono simple para más información). Estos aceros dulces no suelen ser templables debido a su bajo contenido de carbono, por lo que se altera químicamente su superficie para aumentar su templabilidad. El acero cementado se forma mediante la difusión de carbono ( carburación ), nitrógeno ( nitruración ) o boro ( boruración ) en la capa exterior del acero a alta temperatura, y posteriormente se somete la capa superficial a un tratamiento térmico hasta alcanzar la dureza deseada.
El término cementación se deriva de la práctica del proceso de carburación, que es esencialmente el mismo que el proceso antiguo. La pieza de acero se coloca dentro de una carcasa compactada con un compuesto cementante a base de carbono. Esto se conoce como paquete de carburación. El paquete se introduce en un horno caliente durante un tiempo variable. El tiempo y la temperatura determinan la profundidad a la que se extiende el endurecimiento en la superficie. Sin embargo, la profundidad del endurecimiento está limitada por la incapacidad del carbono para difundirse profundamente en el acero sólido, y una profundidad típica de endurecimiento superficial con este método es de hasta 1,5 mm. También se utilizan otras técnicas en la carburación moderna, como el calentamiento en una atmósfera rica en carbono. Los objetos pequeños pueden cementarse mediante calentamiento repetido con un soplete y enfriamiento en un medio rico en carbono, como los productos comerciales Kasenit / Casenite o "Cherry Red". Las formulaciones antiguas de estos compuestos contienen compuestos de cianuro potencialmente tóxicos , mientras que los tipos más recientes, como Cherry Red, no los contienen. [ 2 ] [ 3 ]
Procesos
Endurecimiento por llama o inducción
El endurecimiento por llama o inducción consiste en calentar rápidamente la superficie del acero a altas temperaturas (mediante la aplicación directa de una llama de oxicorte o por inducción ) y luego enfriarla rápidamente, generalmente con agua. Esto crea una capa de martensita en la superficie. Para este tipo de endurecimiento se requiere un contenido de carbono de entre 0,3 y 0,6 % en peso. A diferencia de otros métodos, el endurecimiento por llama o inducción no altera la composición química del material. Dado que se trata simplemente de un tratamiento térmico localizado, suele ser útil únicamente en aceros con alto contenido de carbono que responden adecuadamente al temple.
Los usos típicos incluyen el grillete de un candado, donde la capa exterior se endurece para resistir el desgaste por limado, y engranajes mecánicos, donde se requieren superficies de engranaje duras para una larga vida útil, a la vez que se exige tenacidad para mantener la durabilidad y la resistencia a fallas catastróficas. El endurecimiento por llama utiliza la incidencia directa de una llama de oxigas sobre un área superficial definida. El resultado del proceso de endurecimiento está controlado por cuatro factores:
- Diseño del cabezal de la llama
- Duración del calentamiento
- Temperatura objetivo a alcanzar
- Composición del metal que se está tratando
Carburización
La carburación es un proceso utilizado para endurecer superficialmente el acero con un contenido de carbono entre 0,1 y 0,3 % en peso. En este proceso, el hierro se introduce en un entorno rico en carbono a temperaturas elevadas durante un tiempo determinado y, a continuación, se enfría bruscamente para que el carbono quede fijado en la estructura. Uno de los procedimientos más sencillos consiste en calentar repetidamente una pieza con un soplete de acetileno con una llama rica en combustible y enfriarla bruscamente en un fluido rico en carbono, como el aceite.
La carburación es un proceso controlado por difusión, por lo que cuanto más tiempo permanezca el acero en un ambiente rico en carbono, mayor será la penetración de carbono y mayor su contenido. La sección carburizada tendrá un contenido de carbono lo suficientemente alto como para poder ser endurecida nuevamente mediante calentamiento por llama o por inducción.
Es posible carburizar solo una parte de una pieza, ya sea protegiendo el resto mediante un proceso como el recubrimiento de cobre o aplicando un medio carburizante solo a una sección de la pieza.
El carbono puede provenir de una fuente sólida, líquida o gaseosa; si proviene de una fuente sólida, el proceso se denomina carburación por empaquetamiento . Al rellenar piezas de acero con bajo contenido de carbono con un material carbonáceo y calentarlas durante un tiempo, el carbono se difunde en las capas exteriores. Un período de calentamiento de unas pocas horas puede formar una capa con alto contenido de carbono de aproximadamente un milímetro de espesor.
La carburación líquida consiste en sumergir las piezas en un baño de un material fundido que contiene carbono, a menudo un cianuro metálico; la carburación gaseosa consiste en sumergir las piezas en un horno con un interior rico en metano.
Nitruración
La nitruración consiste en calentar la pieza de acero a 482–621 °C (900–1150 °F) en una atmósfera de gas amoníaco y amoníaco disociado. El tiempo que la pieza permanece en este entorno determina la profundidad de la capa endurecida. La dureza se consigue mediante la formación de nitruros. Para que este método funcione, deben estar presentes elementos formadores de nitruros, como el cromo , el molibdeno y el aluminio . La ventaja de este proceso es que provoca poca deformación, por lo que la pieza puede ser cementada después de ser templada, revenida y mecanizada. No se realiza ningún temple después de la nitruración.
Cianuro
La cianuración es un proceso de cementación rápido y eficiente que se utiliza principalmente en aceros con bajo contenido de carbono. La pieza se calienta a 871–954 °C (1600–1749 °F) en un baño de cianuro de sodio y luego se enfría y enjuaga con agua o aceite para eliminar cualquier residuo de cianuro.
- 2NaCN + O₂ → 2NaCNO
- 2NaCNO + O 2 → Na 2 CO 3 + CO + N 2
- 2CO → CO 2 + C
Este proceso produce una capa delgada y dura (entre 0,25 y 0,75 mm; 0,0098 y 0,0295 pulgadas ) más resistente que la obtenida mediante carburación, y se completa en 20 a 30 minutos en comparación con varias horas, lo que reduce la posibilidad de deformación de las piezas. Se suele utilizar en piezas pequeñas como pernos, tuercas, tornillos y engranajes pequeños. El principal inconveniente de la cianuración es que las sales de cianuro son tóxicas.
Carbonitruración
La carbonitruración es similar a la cianuración, excepto que se utiliza una atmósfera gaseosa de amoníaco e hidrocarburos en lugar de cianuro de sodio. Si la pieza se va a templar, se calienta a 775–885 °C (1427–1625 °F) ; de lo contrario, se calienta a 649–788 °C (1200–1450 °F) .
Nitrocarburación ferrítica
La nitrocarburación ferrítica difunde principalmente nitrógeno y algo de carbono en la carcasa de la pieza por debajo de la temperatura crítica, aproximadamente 650 °C (1202 °F) . Por debajo de esta temperatura crítica, la microestructura de la pieza no se transforma en una fase austenítica , sino que permanece en la fase ferrítica , razón por la cual se denomina nitrocarburación ferrítica .
Aplicaciones
Las piezas sometidas a altas presiones e impactos fuertes suelen someterse a cementación. Algunos ejemplos son las agujas percutoras y las caras de los cerrojos de los rifles , o los árboles de levas de los motores . En estos casos, las superficies que requieren dureza pueden endurecerse selectivamente, dejando el resto de la pieza con su dureza original.
Antiguamente, era común que las armas de fuego se sometieran a un proceso de cementación, ya que requerían un mecanizado de precisión que se realizaba mejor en aleaciones con bajo contenido de carbono, pero a la vez necesitaban la dureza y la resistencia al desgaste de una aleación con mayor contenido de carbono. Muchas réplicas modernas de armas de fuego antiguas, en particular los revólveres de acción simple , todavía se fabrican con armazones cementados o con un acabado pavonado que simula el patrón moteado que dejaba el cementado tradicional con carbón vegetal y hueso.
Otra aplicación común del endurecimiento superficial es en tornillos, especialmente en los autorroscantes . Para que los tornillos puedan taladrar, cortar y roscar en otros materiales como el acero, la punta de la broca y las roscas deben ser más duras que el material o materiales que se taladran. Sin embargo, si todo el tornillo es uniformemente duro, se volverá muy frágil y se romperá fácilmente. Esto se evita endureciendo solo la superficie, mientras que el núcleo permanece relativamente más blando y, por lo tanto, menos frágil. En tornillos y sujetadores, el endurecimiento superficial se logra mediante un sencillo tratamiento térmico que consiste en calentar y luego enfriar.
Para prevenir robos, los grilletes y cadenas de los candados suelen someterse a un tratamiento de cementación para resistir el corte, a la vez que conservan menor fragilidad interna para resistir impactos. Dado que los componentes cementados son difíciles de mecanizar, generalmente se les da forma antes del endurecimiento.
Véase también
Referencias
- ↑ Higgins, Raymond A. (1983). Parte I: Metalurgia física aplicada . Metalurgia de ingeniería (5.ª ed.). Hodder & Stoughton. pág. 474. ISBN 0-340-28524-9.
- ↑ Roy F. Dunlap (1963). Armería . Stackpole Books. ISBN 0-8117-0770-9.
{{cite book}}: Incompatibilidad de ISBN/Fecha ( ayuda ) - ↑ Endurecimiento superficial en un garaje doméstico - Hemmings Sports & Exotic Car — 1 DE MARZO DE 2006 - POR CRAIG FITZGERALD
Enlaces externos
- Endurecimiento superficial
- Endurecimiento superficial de aceros
- Acero y metal endurecidos superficialmente
- «MIL-S-6090A, Especificación militar: Proceso para aceros utilizados en la carburación y nitruración de aeronaves» . Departamento de Defensa de los Estados Unidos . 7 de junio de 1971. Archivado del original (PDF) el 29 de agosto de 2019. Consultado el 20 de junio de 2012 .
- Tratamientos térmicos de metales