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, mucho más comúnmente, de acero con bajo contenido de carbono para permitir que la superficie se endurezca.
El hierro que tiene un contenido de carbono superior a ~0,02% se conoce como acero. El acero que tiene un contenido de carbono superior a ~0,25% se puede endurecer directamente calentándolo a unos 600 °C y luego enfriándolo rápidamente, a menudo sumergiéndolo en agua, lo que se conoce como temple . El endurecimiento es deseable para los componentes metálicos porque proporciona mayor resistencia y resistencia al desgaste, la contrapartida es que el acero endurecido es generalmente más frágil y menos maleable que cuando está en su estado más blando.
Para producir una capa dura en aceros que tienen menos de ~0,2% de carbono, se puede introducir carbono en la superficie calentando el acero en presencia de alguna sustancia rica en carbono, como carbón en polvo o gas de hidrocarburo. Esto hace que el carbono se difunda en la superficie del acero. La profundidad de esta capa con alto contenido de carbono depende del tiempo de exposición, pero 0,5 mm es una profundidad típica. Una vez hecho esto, el acero debe calentarse y templarse para endurecer esta "capa" con mayor contenido de carbono. Debajo de esta capa, el núcleo del acero permanecerá blando debido a su bajo contenido de carbono.
En las primeras fundiciones de hierro se utilizaban hornos de fundición que convertían el mineral de hierro en hierro metálico calentándolo en un horno que quemaba madera y carbón. Como las temperaturas que se podían alcanzar con este método eran generalmente inferiores al punto de fusión del hierro, no se fundía realmente, sino que se convertía en una matriz de hierro/escoria metálica esponjosa. Esta matriz requería luego recalentamiento y martillado para extraer la mayor cantidad posible de escoria, con el fin de producir un hierro forjado maleable con bajo contenido de carbono que luego se pudiera forjar en herramientas, etc. Debido a su bajo contenido de carbono, el hierro forjado es bastante blando, por lo que algo como la hoja de un cuchillo no se podía mantener muy afilada; se desafilaba rápidamente y se doblaba fácilmente.
A medida que las técnicas de fundición fueron mejorando, se pudieron alcanzar temperaturas de horno más altas, suficientes para fundir completamente el hierro. Sin embargo, en el proceso, el hierro absorbía carbono del carbón vegetal o del coque utilizado para calentarlo. Esto dio como resultado hierro fundido con un contenido de carbono de alrededor del 3%, que se denominó hierro fundido . Este hierro líquido se podía moldear en formas complejas, pero debido a su alto contenido de carbono, era muy frágil, nada maleable y totalmente inadecuado para algo como la hoja de un cuchillo. Se requería un procesamiento posterior para eliminar el exceso de carbono del hierro fundido y crear hierro forjado maleable (los últimos avances de este proceso fueron el convertidor Bessemer y el proceso Siemens ).
Tras eliminar casi todo el carbono del hierro fundido, el resultado fue un metal muy maleable y dúctil , pero no muy duro ni capaz de endurecerse mediante calentamiento y temple. Esto condujo a la introducción del endurecimiento superficial. El producto endurecido superficialmente resultante combina gran parte de la maleabilidad y tenacidad de un núcleo de acero con bajo contenido de carbono con la dureza y resiliencia de la capa exterior de acero con alto contenido de carbono.
El método tradicional de aplicar el carbono a la superficie del hierro implicaba envasarlo 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"). Luego, este paquete de carburación se calienta a una temperatura alta (pero aún por debajo del punto de fusión del hierro) y se deja a esa temperatura durante un tiempo. Cuanto más tiempo se mantenga el paquete a la temperatura alta, más profundamente se difundirá el carbono en la superficie. Diferentes profundidades de endurecimiento son deseables para diferentes propósitos: las herramientas afiladas necesitan un endurecimiento profundo para permitir el rectificado 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 cementada resultante puede mostrar una decoloración superficial distintiva, si el material de carbono es materia orgánica mezclada 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 las impurezas en el hueso y el carbón. Esta superficie de óxido funciona de manera similar al pavonado , proporcionando un grado de resistencia a la corrosión, así como un acabado atractivo. La coloración de la vaina se refiere a este patrón y se encuentra comúnmente como un acabado decorativo en las armas de fuego .
El acero cementado combina una dureza y una tenacidad extremas, que no se pueden igualar fácilmente con aleaciones homogéneas, ya que los aceros homogéneos duros tienden a ser frágiles, especialmente aquellos aceros cuya dureza depende únicamente del contenido de carbono. Los aceros aleados que contienen níquel, cromo o molibdeno pueden tener valores de dureza, resistencia o elongación muy altos, pero a un costo mayor que un artículo cementado con un núcleo con bajo contenido de carbono.
El carbono en sí es sólido a temperaturas de cementación y, por lo tanto, es inmóvil. El transporte a la superficie del acero se realizó en forma de monóxido de carbono gaseoso , generado por la descomposición del compuesto carburante y el oxígeno contenido en la caja sellada. Esto ocurre con el carbono puro, pero demasiado lentamente para que sea viable. Aunque se requiere oxígeno para este proceso, se recircula a través del ciclo del CO y, por lo tanto, se puede llevar a cabo dentro de una caja sellada (la "caja"). El sellado es necesario para evitar que el CO se escape o se oxide a CO2 por el exceso de aire exterior.
La adición de un "energizante" de carbonato de fácil descomposición, como el carbonato de bario, se descompone en BaO + CO 2 y esto fomenta la reacción:
aumentando la abundancia general de CO y la actividad del compuesto carburante. [1]
Es un error de conocimiento común que el endurecimiento superficial se realizó con hueso, pero esto es engañoso. Aunque se utilizó hueso, el principal donante de carbono fue la pezuña y el cuerno. El hueso contiene algunos carbonatos, pero es principalmente fosfato de calcio (como hidroxiapatita ). Esto no tiene el efecto beneficioso de estimular la producción de CO y también puede introducir fósforo como impureza en la aleación de acero.
Tanto los aceros al carbono como los de aleación son adecuados para el endurecimiento superficial; normalmente se utilizan aceros dulces, con un bajo contenido de carbono , normalmente inferior al 0,3 % (consulte el acero al carbono simple para obtener más información). Estos aceros dulces normalmente no son templables debido a la baja cantidad de carbono, por lo que la superficie del acero se altera químicamente para aumentar la templabilidad. El acero endurecido superficialmente se forma difundiendo carbono ( carburación ), nitrógeno ( nitruración ) o boro ( boruración ) en la capa exterior del acero a alta temperatura y luego tratando térmicamente la capa superficial hasta obtener la dureza deseada.
El término cementación se deriva de las particularidades del proceso de cementación en sí, que es esencialmente el mismo que el proceso antiguo. La pieza de trabajo de acero se coloca dentro de una caja llena de un compuesto de cementación a base de carbono. Esto se conoce colectivamente como un paquete de cementación. El paquete se coloca dentro de un horno caliente durante un período de 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 en última instancia por la incapacidad del carbono para difundirse profundamente en el acero sólido, y una profundidad típica de endurecimiento de la superficie con este método es de hasta 1,5 mm. También se utilizan otras técnicas en la cementación moderna, como el calentamiento en una atmósfera rica en carbono. Los artículos pequeños se pueden cementar mediante el calentamiento repetido con un soplete y el enfriamiento en un medio rico en carbono, como los productos comerciales Kasenit / Casenite o "Cherry Red". Las formulaciones más antiguas de estos compuestos contienen compuestos de cianuro potencialmente tóxicos , mientras que los tipos más recientes, como Cherry Red, no los contienen. [2] [3]
El endurecimiento por llama o por inducción son procesos en los que la superficie del acero se calienta muy rápidamente a altas temperaturas (mediante la aplicación directa de una llama de oxígeno y gas o mediante calentamiento por inducción ) y luego se enfría rápidamente, generalmente utilizando agua; esto crea una "caja" de martensita en la superficie. Se necesita un contenido de carbono de 0,3 a 0,6 % en peso de C para este tipo de endurecimiento. A diferencia de otros métodos, el endurecimiento por llama o por inducción no cambia la composición química del material. Debido a que es simplemente un proceso de tratamiento térmico localizado, normalmente solo son útiles en aceros con alto contenido de carbono que responderán lo suficiente al endurecimiento por temple.
Los usos típicos son el grillete de una cerradura, donde la capa exterior se endurece para que sea resistente a las limaduras, y los engranajes mecánicos, donde se necesitan superficies de engranajes duros para mantener una larga vida útil, mientras que se requiere dureza para mantener la durabilidad y la resistencia a fallas catastróficas. El endurecimiento por llama utiliza el impacto directo de una llama de oxígeno y gas sobre un área de superficie definida. El resultado del proceso de endurecimiento está controlado por cuatro factores:
La carburación es un proceso utilizado para endurecer el acero con un contenido de carbono entre 0,1 y 0,3 % en peso C. En este proceso, el hierro se introduce en un entorno rico en carbono a temperaturas elevadas durante un tiempo determinado y luego se enfría para que el carbono quede fijado en la estructura; uno de los procedimientos más simples es calentar repetidamente una pieza con un soplete de acetileno con una llama rica en combustible y apagarla en un fluido rico en carbono, como el aceite.
La carburación es un proceso controlado por difusión, por lo que cuanto más tiempo se mantenga el acero en un entorno rico en carbono, mayor será la penetración de carbono y mayor será el contenido de carbono. La sección carburizada tendrá un contenido de carbono lo suficientemente alto como para que pueda endurecerse nuevamente mediante endurecimiento por llama o por inducción.
Es posible carburar sólo una parte de una pieza, ya sea protegiendo el resto mediante un proceso como el recubrimiento de cobre o aplicando un medio carburante sólo a una sección de la pieza.
El carbono puede proceder de una fuente sólida, líquida o gaseosa; si procede de una fuente sólida, el proceso se denomina carburación en paquete . Al rellenar piezas de acero con bajo contenido de carbono con un material carbonoso y calentarlas durante un tiempo, el carbono se difunde hacia las capas externas. 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 implica colocar las piezas en un baño de un material que contiene carbono fundido, a menudo un cianuro metálico; la carburación gaseosa implica colocar las piezas en un horno mantenido con un interior rico en metano.
La nitruración calienta la pieza de acero a 482–621 °C (900–1150 °F) en una atmósfera de gas amoniaco y amoniaco disociado. El tiempo que la pieza pasa en este entorno determina la profundidad de la capa. La dureza se logra mediante la formación de nitruros. Los elementos formadores de nitruros deben estar presentes para que este método funcione; estos elementos incluyen cromo , molibdeno y aluminio . La ventaja de este proceso es que causa poca distorsión, por lo que la pieza se puede endurecer después de ser templada, revenida y mecanizada. No se realiza ningún temple después de la nitruración.
La cianuración es un proceso de cementación rápido y eficaz 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 se enjuaga, en agua o aceite, para eliminar cualquier cianuro residual.
Este proceso produce una capa delgada y dura (entre 0,25 y 0,75 mm; 0,0098 y 0,0295 pulgadas) que es más dura que la producida por carburación y puede completarse en 20 a 30 minutos en comparación con varias horas, por lo que las piezas tienen menos posibilidades de deformarse. Se utiliza normalmente en piezas pequeñas como pernos, tuercas, tornillos y engranajes pequeños. El principal inconveniente de la cianuración es que las sales de cianuro son venenosas.
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); si no, se calienta a 649–788 °C (1200–1450 °F).
La nitrocarburación ferrítica difunde principalmente nitrógeno y algo de carbono en el interior de la pieza de trabajo por debajo de la temperatura crítica, aproximadamente 650 °C (1202 °F). Por debajo de la temperatura crítica, la microestructura de la pieza de trabajo no se convierte en una fase austenítica , sino que permanece en la fase ferrítica , por lo que se denomina nitrocarburación ferrítica .
Las piezas que están sujetas a altas presiones e impactos fuertes todavía se suelen endurecer por cementación. Algunos ejemplos son los percutores y las caras de los cerrojos de los rifles , o los árboles de levas de los motores . En estos casos, las superficies que requieren la dureza se pueden endurecer de forma selectiva, dejando la mayor parte de la pieza en su estado tenaz original.
En el pasado, las armas de fuego eran un artículo común que se endurecía por cementación, ya que requerían un mecanizado de precisión que se realizaba mejor en aleaciones con bajo contenido de carbono, pero necesitaban la dureza y la resistencia al desgaste de una aleación con mayor contenido de carbono. Muchas réplicas modernas de armas de fuego más antiguas, en particular los revólveres de acción simple , todavía se fabrican con armazones endurecidos por cementación o con coloración de la vaina , que simula el patrón moteado que deja el endurecimiento tradicional con carbón y hueso.
Otra aplicación común del endurecimiento superficial es en los tornillos, en particular en los tornillos autoperforantes . Para que los tornillos puedan perforar, cortar y roscar en otros materiales como el acero, la punta de la broca y las roscas de formación deben ser más duras que el material o los materiales que se perforan. Sin embargo, si todo el tornillo es uniformemente duro, se volverá muy frágil y se romperá fácilmente. Esto se soluciona asegurando que solo se endurezca la superficie y que el núcleo permanezca relativamente más blando y, por lo tanto, menos frágil. En el caso de los tornillos y los elementos de fijación, el endurecimiento superficial se logra mediante un simple tratamiento térmico que consiste en calentar y luego templar.
Para prevenir robos, los grilletes y cadenas de las cerraduras suelen estar cementados para resistir cortes, pero al mismo tiempo son menos frágiles en su interior para resistir impactos. Como los componentes cementados son difíciles de mecanizar, generalmente se les da forma antes del endurecimiento.