El endurecimiento por cementación 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 un objeto 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 alrededor de 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, siendo la contrapartida que el acero endurecido es generalmente más quebradizo y menos maleable que cuando está en su estado más blando.
Para producir una piel 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 hidrocarbonado, lo que hace que el carbono se difunda en 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 de un caso. Una vez hecho esto, el acero debe calentarse y templarse para endurecer esta "piel" con alto contenido de carbono. Debajo de esta piel, el núcleo de acero permanecerá blando debido a su bajo contenido de carbono.
Las primeras fundiciones de hierro utilizaban bombas que convertían el mineral de hierro en hierro metálico calentándolo en un horno que quemaba madera y carbón. Debido a que las temperaturas que se podían alcanzar con este método estaban generalmente por debajo del punto de fusión del hierro, no se fundió realmente, sino que se convirtió en una matriz metálica esponjosa de hierro/escoria. Luego, esta matriz requería recalentarse y martillarse para extraer la mayor cantidad posible de escoria, a fin de producir un hierro forjado maleable con bajo contenido de carbono que luego podría forjarse en herramientas, etc. Debido a su bajo contenido de carbono, el hierro forjado es bastante suave, por lo que algo como la hoja de un cuchillo no se podía mantener muy afilado; se desafilaría rápidamente y se doblaría fácilmente.
A medida que mejoraron las técnicas de fundición, se pudieron alcanzar temperaturas de horno más altas que fueron suficientes para fundir completamente el hierro. Sin embargo, en el proceso, el hierro recogió carbono del carbón vegetal o del coque utilizado para calentarlo. Esto dio como resultado un hierro fundido con un contenido de carbono de alrededor del 3%, que se denominó hierro fundido . Este hierro líquido podía moldearse 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 requirió un procesamiento adicional para eliminar el exceso de carbono del hierro fundido y crear hierro forjado maleable (los últimos desarrollos de esto fueron el convertidor Bessemer y el proceso Siemens ).
Después de 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 enfriamiento. Esto llevó a la introducción del endurecimiento de casos. El producto cementado resultante combina gran parte de la maleabilidad y dureza de un núcleo de acero con bajo contenido de carbono con la dureza y resistencia de la piel exterior de acero con alto contenido de carbono.
El método tradicional de aplicar carbón a la superficie del hierro implicaba empacar el hierro 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. (el caso"). Este paquete de carburación luego se calienta a una temperatura alta, pero aún por debajo del punto de fusión del hierro, y se deja a esa temperatura durante un período de tiempo. Cuanto más tiempo se mantenga el paquete a alta temperatura, más profundamente se difundirá el carbón en la superficie. Son deseables diferentes profundidades de endurecimiento para diferentes propósitos: las herramientas afiladas necesitan un endurecimiento profundo para permitir el rectificado y el reafilado sin exponer el núcleo blando, mientras que las piezas de máquinas, como los engranajes, pueden necesitar sólo un endurecimiento superficial para aumentar la resistencia al desgaste.
La pieza cementada resultante puede mostrar una clara decoloración de la superficie, si el material de carbono es materia orgánica mixta como se describe anteriormente. El acero se oscurece significativamente y muestra un patrón moteado de negro, azul y morado 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, además de un acabado atractivo. La coloración de la caja se refiere a este patrón y se encuentra comúnmente como acabado decorativo en armas de fuego .
El acero cementado combina dureza extrema y tenacidad extrema, que no es fácilmente igualada por aleaciones homogéneas ya que los aceros duros y homogéneos tienden a ser quebradizos, especialmente aquellos aceros cuya dureza depende únicamente del contenido de carbono. Los aceros aleados que contienen níquel, cromo y/o molibdeno pueden tener valores de dureza, resistencia o alargamiento 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 empaquetado en la caja sellada. Esto se lleva a cabo con carbono puro, pero demasiado lentamente para que sea viable. Aunque se requiere oxígeno para este proceso, se recircula a través del ciclo de 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 CO 2 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 una falacia de conocimiento común que el endurecimiento se realizó con hueso, pero esto es engañoso. Aunque se utilizó hueso, el principal donante de carbono fueron las pezuñas y los cuernos. El hueso contiene algunos carbonatos pero es principalmente fosfato de calcio (como hidroxiapatita ). Esto no tiene el efecto beneficioso de fomentar la producción de CO y también puede introducir fósforo como impureza en la aleación de acero.
Tanto los aceros al carbono como los aleados son adecuados para el cementado; normalmente se utilizan aceros suaves, con bajo contenido de carbono , generalmente menos del 0,3% (consulte acero al carbono simple para obtener más información). Estos aceros dulces normalmente no son endurecibles debido a la baja cantidad de carbono, por lo que la superficie del acero se altera químicamente para aumentar la templabilidad. El acero cementado se forma difundiendo carbono ( carburación ), nitrógeno ( nitruración ) y/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 endurecimiento se deriva de los aspectos prácticos del proceso de carburación en sí, que es esencialmente el mismo que el proceso antiguo. La pieza de trabajo de acero se coloca dentro de una caja empaquetada herméticamente con un compuesto endurecedor a base de carbono. Esto se conoce colectivamente como paquete de carburación. El paquete se introduce en un horno caliente durante un período de tiempo variable. El tiempo y la temperatura determinan qué tan profundo se extiende el endurecimiento en la superficie. Sin embargo, la profundidad del endurecimiento está limitada en última instancia por la incapacidad del carbono para difundir profundamente en el acero sólido, y una profundidad típica de endurecimiento superficial con este método es de hasta 1,5 mm. En la cementación moderna también se utilizan otras técnicas, como el calentamiento en una atmósfera rica en carbono. Los artículos pequeños pueden endurecerse calentándolos repetidamente con un soplete y enfriándolos 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 el 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 oxigas o por calentamiento por inducción ) y luego se enfría rápidamente, generalmente utilizando agua; esto crea una "caja" de martensita en la superficie. Para este tipo de endurecimiento se necesita un contenido de carbono de 0,3 a 0,6% en peso de C. A diferencia de otros métodos, el endurecimiento por llama o por inducción no cambia la composición química del material. Debido a que se trata simplemente de un proceso de tratamiento térmico localizado, normalmente solo son útiles en aceros con alto contenido de carbono que responderán suficientemente al endurecimiento.
Los usos típicos son para el grillete de una cerradura, donde la capa exterior está endurecida para ser resistente a las limas, y engranajes mecánicos, donde se necesitan superficies de malla de engranajes duras para mantener una larga vida útil mientras 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 oxigas sobre una superficie definida. El resultado del proceso de endurecimiento está controlado por cuatro factores:
La carburación es un proceso utilizado para endurecer acero con un contenido de carbono entre 0,1 y 0,3% en peso de C. En este proceso, el hierro se introduce en un entorno rico en carbono a temperaturas elevadas durante un cierto período de tiempo y luego se enfría para que el carbono está encerrado 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 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 del carbono y mayor será el contenido de carbono. La sección carburizada tendrá un contenido de carbono lo suficientemente alto como para poder endurecerse nuevamente mediante endurecimiento por llama o por inducción.
Es posible cementar solo una parte de una pieza, ya sea protegiendo el resto mediante un proceso como el revestimiento de cobre o aplicando un medio carburante 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 llama carburación en paquete . Empaquetar piezas de acero con bajo contenido de carbono con un material carbonoso y calentarlas durante algún tiempo difunde el carbono hacia las capas exteriores. Un período de calentamiento de unas pocas horas podría formar una capa rica en carbono de aproximadamente un milímetro de espesor.
La cementación líquida implica colocar piezas en un baño de un material que contiene carbono fundido, a menudo un cianuro metálico; La carburación con gas 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 amoníaco gaseoso y amoníaco disociado. El tiempo que el personaje pasa en este entorno dicta la profundidad del caso. La dureza se consigue mediante la formación de nitruros. Para que este método funcione, deben estar presentes elementos formadores de nitruro; estos elementos incluyen cromo , molibdeno y aluminio . La ventaja de este proceso es que causa poca distorsión, por lo que la pieza puede endurecerse después de haber sido templada, revenida y mecanizada. No se realiza enfriamiento después de la nitruración.
La cianuración es un proceso de endurecimiento rápido y eficiente; se utiliza principalmente en aceros con bajo contenido de carbono. La pieza se calienta a 871–954 °C (1600–1750 °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, 0,01 y 0,03 pulgadas) que es más dura que la producida por cementación y se puede completar en 20 a 30 minutos en comparación con varias horas, por lo que las piezas tienen menos oportunidades de volverse distorsionado. Normalmente se utiliza 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 enfriar, se calienta a 775–885 °C (1427–1625 °F); de lo contrario, la pieza se calienta a 649–788 °C (1200–1450 °F).
La nitrocarburación ferrítica difunde principalmente nitrógeno y algo de carbono en la carcasa de una pieza de trabajo por debajo de la temperatura crítica, aproximadamente 650 °C (1202 °F). Bajo la temperatura crítica, la microestructura de la pieza de trabajo no se convierte en fase austenítica , sino que permanece en fase ferrítica , por lo que se denomina nitrocarburización ferrítica .
Las piezas que están sujetas a altas presiones e impactos fuertes todavía suelen estar cementadas. Los ejemplos incluyen percutores y caras de cerrojo de rifle , o árboles de levas de motor . En estos casos, las superficies que requieren dureza pueden endurecerse selectivamente, dejando la mayor parte de la pieza en su estado resistente original.
Las armas de fuego eran un artículo común cementado en el pasado, 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 marcos cementados o con colores de caja , que simulan el patrón moteado que deja el endurecimiento tradicional con carbón y hueso.
Otra aplicación común del cementado es en tornillos, particularmente tornillos autoperforantes . Para que los tornillos puedan perforar, cortar y golpear otros materiales como el acero, la punta de perforación y las roscas de formación deben ser más duras que los materiales en los que se perfora. Sin embargo, si todo el tornillo es uniformemente duro, se volverá muy quebradizo y se romperá fácilmente. Esto se supera asegurando que sólo se endurezca la superficie y que el núcleo permanezca relativamente más blando y, por tanto, menos quebradizo. Para tornillos y elementos de fijación, el endurecimiento se logra mediante un tratamiento térmico simple que consiste en calentar y luego templar.
Para prevenir robos, los grilletes y las cadenas de las cerraduras suelen estar cementados para resistir los cortes y, al mismo tiempo, permanecer menos quebradizos por dentro para resistir los impactos. Como los componentes cementados son difíciles de mecanizar, generalmente se les da forma antes del endurecimiento.