La carburación o cementación es un proceso de tratamiento térmico en el que el hierro o el acero absorben carbono mientras el metal se calienta en presencia de un material que contiene carbono, como carbón vegetal o monóxido de carbono . La intención es hacer que el metal sea más duro y más resistente al desgaste. [1] Dependiendo de la cantidad de tiempo y temperatura, el área afectada puede variar en contenido de carbono. Los tiempos de carburación más largos y las temperaturas más altas generalmente aumentan la profundidad de la difusión del carbono. Cuando el hierro o el acero se enfrían rápidamente mediante temple , el mayor contenido de carbono en la superficie exterior se vuelve duro debido a la transformación de austenita a martensita , mientras que el núcleo permanece blando y resistente como una microestructura ferrítica y/o perlítica . [2]
Este proceso de fabricación se puede caracterizar por los siguientes puntos clave: se aplica a piezas de trabajo con bajo contenido de carbono; las piezas de trabajo están en contacto con un gas, líquido o sólido con alto contenido de carbono; produce una superficie dura en la pieza de trabajo; los núcleos de las piezas de trabajo conservan en gran medida su tenacidad y ductilidad ; y produce profundidades de dureza de hasta 0,25 pulgadas (6,4 mm). En algunos casos, sirve como remedio para la descarburación no deseada que se produjo anteriormente en un proceso de fabricación.
La carburación del acero implica un tratamiento térmico de la superficie metálica utilizando una fuente de carbono. [3] La carburación se puede utilizar para aumentar la dureza de la superficie del acero con bajo contenido de carbono. [3]
En las primeras etapas de la carburación se aplicaba directamente carbón vegetal alrededor de la muestra que se iba a tratar (inicialmente denominada cementación ), pero las técnicas modernas utilizan gases o plasmas que contienen carbono (como el dióxido de carbono o el metano ). El proceso depende principalmente de la composición del gas ambiental y de la temperatura del horno, que deben controlarse cuidadosamente, ya que el calor también puede afectar la microestructura del resto del material. Para aplicaciones en las que se desea un gran control sobre la composición del gas, la carburación puede realizarse a presiones muy bajas en una cámara de vacío .
La carburación por plasma se utiliza cada vez más para mejorar las características superficiales (como el desgaste, la resistencia a la corrosión , la dureza , la capacidad de carga, además de las variables relacionadas con la calidad) de diversos metales, en particular los aceros inoxidables . El proceso es respetuoso con el medio ambiente (en comparación con la carburación gaseosa o sólida). También permite un tratamiento uniforme de componentes con geometría compleja (el plasma puede penetrar en agujeros y espacios estrechos), lo que lo hace muy flexible en términos de tratamiento de componentes.
El proceso de carburación funciona a través de la difusión de átomos de carbono en las capas superficiales de un metal. Como los metales están formados por átomos unidos firmemente en una red cristalina metálica , los átomos de carbono se difunden en la estructura cristalina del metal y permanecen en solución (disueltos dentro de la matriz cristalina del metal; esto normalmente ocurre a temperaturas más bajas) o reaccionan con elementos en el metal anfitrión para formar carburos (normalmente a temperaturas más altas, debido a la mayor movilidad de los átomos del metal anfitrión). Si el carbono permanece en solución sólida, el acero se trata térmicamente para endurecerlo. Ambos mecanismos fortalecen la superficie del metal, el primero mediante la formación de perlita o martensita, y el segundo mediante la formación de carburos. Ambos materiales son duros y resisten la abrasión.
La carburación con gas se lleva a cabo normalmente a una temperatura dentro del rango de 900 a 950 °C.
En la soldadura oxiacetilénica , la llama carburante es aquella que tiene poco oxígeno, lo que produce una llama de baja temperatura y con hollín . Se suele utilizar para recocer el metal, haciéndolo más maleable y flexible durante el proceso de soldadura.
Un objetivo principal en la producción de piezas carburizadas es asegurar el máximo contacto entre la superficie de la pieza y los elementos ricos en carbono. En la carburación con gas y líquido, las piezas suelen estar sujetas en cestas de malla o suspendidas por alambre. En la carburación en paquete, la pieza y el carbono se encierran en un recipiente para garantizar que se mantenga el contacto en la mayor superficie posible. Los recipientes de carburación en paquete suelen estar hechos de acero al carbono recubierto de aluminio o de una aleación de níquel-cromo resistente al calor y sellados en todas las aberturas con arcilla refractaria.
La carburación se puede lograr en un horno convencional (horno de atmósfera) o en un horno de carburación de baja presión (LPC). [4]
Existen diferentes tipos de elementos o materiales que se pueden utilizar para realizar este proceso, pero estos consisten principalmente en material con alto contenido de carbono. Algunos agentes endurecedores típicos incluyen gas de monóxido de carbono (CO), cianuro de sodio y carbonato de bario o carbón de madera dura. En la carburación con gas, el carbono lo desprende el propano o el gas natural . En la carburación líquida, el carbono se deriva de una sal fundida compuesta principalmente de cianuro de sodio (NaCN) y cloruro de bario (BaCl 2 ). En la carburación en paquete, el monóxido de carbono lo desprende el coque o el carbón de madera dura.
Existen todo tipo de piezas de trabajo que se pueden carburar, lo que significa que las posibilidades para la forma de los materiales que se pueden carburar son casi ilimitadas. Sin embargo, se debe prestar especial atención a los materiales que contienen secciones no uniformes o asimétricas. Diferentes secciones transversales pueden tener diferentes velocidades de enfriamiento, lo que puede causar tensiones excesivas en el material y provocar roturas. [5]
Es prácticamente imposible someter una pieza a carburación sin que se produzcan algunos cambios dimensionales. La cantidad de estos cambios varía en función del tipo de material que se utiliza, el proceso de carburación al que se somete el material y el tamaño y la forma originales de la pieza de trabajo. Sin embargo, los cambios son pequeños en comparación con las operaciones de tratamiento térmico. [5]
Los materiales que se carbonizan normalmente son aceros de bajo carbono y aleados con un contenido inicial de carbono que oscila entre el 0,2 y el 0,3 %. La superficie de la pieza de trabajo debe estar libre de contaminantes, como aceite, óxidos o soluciones alcalinas, que impiden o dificultan la difusión del carbono en la superficie de la pieza de trabajo. [5]
En general, los equipos de carburación por paquetes pueden aceptar piezas de trabajo más grandes que los equipos de carburación por líquido o gas, pero los métodos de carburación por líquido o gas son más rápidos y se prestan al manejo mecanizado de materiales. Además, las ventajas de la carburación sobre la carbonitruración son una mayor profundidad de capa (son posibles profundidades de capa de más de 0,3 pulgadas), menor distorsión y mejor resistencia al impacto. Esto lo hace perfecto para aplicaciones de alta resistencia y desgaste (por ejemplo, tijeras o espadas). Las desventajas incluyen un mayor gasto, temperaturas de trabajo más altas y mayor tiempo. [5]
En general, la carburación con gas se utiliza para piezas de gran tamaño. La carburación con líquido se utiliza para piezas pequeñas y medianas y la carburación en paquete se puede utilizar para piezas grandes y para el procesamiento individual de piezas pequeñas a granel. La carburación al vacío (carburación a baja presión o LPC) se puede aplicar en una amplia gama de piezas cuando se utiliza junto con el temple con aceite o con gas a alta presión (HPGQ), dependiendo de los elementos de aleación dentro del material base. [5]