Carburación

carburación, o carburación, 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 contenga carbono, como como carbón vegetal o monóxido de carbono. La intención es hacer que el metal sea más duro y resistente al desgaste. Dependiendo de la cantidad de tiempo y temperatura, el contenido de carbono del área afectada puede variar. Los tiempos de cementación más prolongados y las temperaturas más altas suelen aumentar la profundidad de la difusión del carbono. Cuando el hierro o el acero se enfría rápidamente mediante enfriamiento rápido, 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 perlita.

Este proceso de fabricación se puede caracterizar por los siguientes puntos clave: Se aplica a piezas de trabajo con bajas emisiones de carbono; las piezas de trabajo están en contacto con un gas, líquido o sólido con alto contenido de carbono; produce una superficie dura de la pieza de trabajo; los núcleos de las piezas conservan en gran medida su tenacidad y ductilidad; y produce profundidades de dureza de la caja 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.

Método

La carburación del acero implica un tratamiento térmico de la superficie metálica utilizando una fuente de carbono. La carburación se puede utilizar para aumentar la dureza superficial del acero con bajo contenido de carbono.

La carburación temprana utilizaba una aplicación directa de carbón empaquetado alrededor de la muestra a tratar (inicialmente denominada cementación), pero las técnicas modernas utilizan gases o plasmas que contienen carbono (como dióxido de carbono o 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 donde se desea un gran control sobre la composición del gas, la carburación puede tener lugar a presiones muy bajas en una cámara de vacío.

La carburación por plasma se utiliza cada vez más para mejorar las características de la superficie (como el desgaste, la resistencia a la corrosión, la dureza, la capacidad de carga, además de las variables basadas en la calidad) de varios metales, en particular los aceros inoxidables. El proceso es respetuoso con el medio ambiente (en comparación con la cementación gaseosa o sólida). También proporciona 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 mediante la difusión de átomos de carbono en las capas superficiales de un metal. Como los metales están formados por átomos estrechamente unidos 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 una 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 normalmente se lleva a cabo a una temperatura dentro del rango de 900 a 950 °C.

En la soldadura con oxiacetileno, una llama de carburación es aquella con poco oxígeno, lo que produce una llama con hollín y de menor temperatura. A menudo se utiliza para recocer metal, haciéndolo más maleable y flexible durante el proceso de soldadura.

Un objetivo principal al producir piezas de trabajo cementadas es garantizar el máximo contacto entre la superficie de la pieza de trabajo y los elementos ricos en carbono. En la cementación con gas y líquido, las piezas de trabajo suelen estar sostenidas en cestas de malla o suspendidas por alambre. En la cementación en paquete, la pieza de trabajo y el carbón 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 con aluminio o una aleación de níquel-cromo resistente al calor y sellados en todas las aberturas con arcilla refractaria.

Agentes endurecedores

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 monóxido de carbono (CO), cianuro de sodio y carbonato de bario o carbón de madera dura. En la cementación con gas, el carbono se desprende mediante propano o gas natural. En la cementación líquida, el carbono se deriva de una sal fundida compuesta principalmente de cianuro de sodio (NaCN) y cloruro de bario (BaCl₂). En la carburación por paquetes, el monóxido de carbono se desprende mediante coque o carbón vegetal.

Posibilidades geométricas

Hay todo tipo de piezas de trabajo que se pueden cementar, lo que significa posibilidades casi ilimitadas para la forma de los materiales que se pueden cementar. Sin embargo, se debe prestar especial atención a los materiales que contienen secciones no uniformes o no simétricas. Diferentes secciones transversales pueden tener diferentes velocidades de enfriamiento, lo que puede provocar tensiones excesivas en el material y provocar roturas.

Cambios dimensionales

Es prácticamente imposible someter una pieza de trabajo a carburación sin sufrir algunos cambios dimensionales. La cantidad de estos cambios varía según el tipo de material que se utiliza, el proceso de cementación al que se somete el material y el tamaño y forma originales de la pieza de trabajo. Sin embargo, los cambios son pequeños en comparación con las operaciones de tratamiento térmico.

Material de la pieza

Normalmente, los materiales que se carbonizan son aceros aleados y con bajo contenido de carbono 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 impidan o impidan la difusión de carbono en la superficie de la pieza de trabajo.

Comparando diferentes métodos

En general, los equipos de cementación en paquete pueden acomodar piezas de trabajo más grandes que los equipos de cementación líquida o gaseosa, pero los métodos de cementación líquida o gaseosa son más rápidos y se prestan para el manejo mecanizado de materiales. Además, las ventajas de la cementación sobre la carbonitruración son una mayor profundidad de la caja (son posibles profundidades de la caja superiores a 0,3 pulgadas), menos 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 gastos adicionales, temperaturas de trabajo más altas y mayor tiempo.

Elección del equipamiento

En general, la cementación con gas se utiliza para piezas de gran tamaño. La cementación líquida se utiliza para piezas pequeñas y medianas y la cementación 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 un amplio espectro de piezas cuando se usa junto con enfriamiento con aceite o gas a alta presión (HPGQ), dependiendo de los elementos de aleación dentro del material base.