Acero cementado: proceso, grados y cuándo usarlo
¿Qué es el endurecimiento superficial?
El endurecimiento superficial es un conjunto de tratamientos que producen una capa externa dura y resistente al desgaste (la “capa”) sobre un núcleo tenaz y dúctil. El método más común es la carburación, que introduce carbono por difusión en la superficie del acero con bajo contenido de carbono. Los métodos de difusión relacionados son la carbonitruración (carbono y nitrógeno) y la nitruración (solo nitrógeno). Todos ellos endurecen la superficie modificando su composición química, para luego templar la pieza donde el proceso lo requiera.
El endurecimiento superficial no debe confundirse con el endurecimiento por inducción o por llama. Estos últimos también endurecen una capa superficial, pero lo hacen calentando y enfriando localmente acero que ya contiene suficiente carbono, sin añadir ningún elemento nuevo. Esta guía trata sobre los procesos de endurecimiento superficial por difusión.
Una pieza cementada está diseñada para ofrecer dos propiedades a la vez:
- Una superficie dura y resistente al desgaste, típicamente de 58 a 64 HRC.
- Un núcleo resistente y a prueba de golpes, típicamente de 30 a 45 HRC.
Un acero endurecido en toda su extensión a 60 HRC sería demasiado frágil para una pieza sometida a cargas de impacto, mientras que un núcleo con una dureza de 35 HRC se desgastaría rápidamente si quedara expuesto en la superficie. El endurecimiento superficial separa estos dos requisitos en dos zonas distintas de la misma pieza.
Cómo funciona el endurecimiento superficial
Carburización (la más común)
La carburación añade carbono a la superficie del acero con bajo contenido de carbono (normalmente de 0,10 a 0,25% de carbono), que no es lo suficientemente alto como para endurecerse por sí solo.
- Difusión de carbono: la pieza se mantiene a 900-950 °C en una atmósfera rica en carbono (gas, sal líquida o compuesto sólido). El carbono se disuelve en la austenita de la superficie y se difunde hacia el interior.
- Profundidad de la capa: la profundidad efectiva típica oscila entre 0,5 y 2,0 mm. El crecimiento sigue la raíz cuadrada del tiempo, en lugar de una tasa constante, por lo que una capa más profunda requiere un tiempo desproporcionadamente mayor. Aproximadamente, duplicar la profundidad de la capa requiere aproximadamente cuatro veces el tiempo de carburización a una temperatura determinada.
- Temple: la pieza se templa en aceite o agua. La superficie con alto contenido de carbono se transforma en martensita dura a 60-64 HRC, mientras que el núcleo con bajo contenido de carbono permanece más blando y resistente.
- Revenido: un revenido a baja temperatura, entre 150 y 200 °C, alivia las tensiones con poca pérdida de dureza superficial.
Carbonitruración
La carbonitruración consiste esencialmente en la carburación con nitrógeno añadido a la atmósfera. El nitrógeno aumenta la templabilidad de la capa y reduce la temperatura de endurecimiento, lo que permite que la pieza funcione a temperaturas de entre 800 y 870 °C y se enfríe en aceite. La profundidad de la capa es menor que en la carburación, generalmente de 0,1 a 0,5 mm, y el ciclo es más rápido. Es adecuada para piezas pequeñas y componentes de desgaste de alto volumen.
Nitruración
La nitruración consiste en la difusión de nitrógeno en la superficie a baja temperatura, entre 500 y 550 °C, en gas amoníaco o en un baño de sales. No se requiere enfriamiento rápido, ya que la dureza proviene de los nitruros duros que se forman in situ. La capa superficial es delgada, de aproximadamente 0,1 a 0,5 mm, pero extremadamente dura, entre 700 y 1100 HV, y la distorsión es mínima debido a la ausencia de enfriamiento rápido y de cambios de fase en el núcleo.
La nitruración no se utiliza en los grados de carburación simples de bajo carbono. Se necesitan aceros que contengan elementos formadores de nitruro como cromo, molibdeno, aluminio o vanadio. En la práctica, eso significa aceros aleados de carbono medio (por ejemplo, 4140 y aceros específicos para nitruración) y muchos aceros para herramientas. H13, Por ejemplo, se nitrura de forma rutinaria para mejorar la resistencia al desgaste y la erosión de la superficie en las herramientas de fundición a presión y extrusión.
Aceros aptos para cementación
La carburación y la carbonitruración requieren un acero base con bajo contenido de carbono. Las adiciones de aleación en los grados superiores aumentan la resistencia del núcleo y la capacidad de endurecimiento superficial para secciones más gruesas.
| Grado (AISI/GB) | Carbono | Aleación clave | Uso típico |
|---|---|---|---|
| 1018 | ~0.18% | Mn | Piezas de desgaste de baja tensión, menor coste |
| 1020 | ~0.20% | Mn | Uso general |
| 8620 | ~0.20% | Ni-Cr-Mo | Engranajes, ejes, pasadores, árboles de levas |
| 4320 | ~0.20% | Ni-Cr-Mo | Engranajes de alta resistencia |
| 9310 | ~0.10% | Ni-Cr-Mo | Engranajes de aeronaves, alta fiabilidad |
| 20CrMnTi | ~0.20% | Cr-Mn-Ti | Engranajes de transmisión automotriz (comunes en China) |
La aleación 8620 es la más utilizada para la carburación, ya que equilibra la tenacidad del núcleo con una templabilidad moderada. La aleación 20CrMnTi incorpora titanio para refinar el grano y predomina en la producción de engranajes para automóviles en China. Las aleaciones de carbono simple 1018 y 1020 son las opciones más económicas, pero ofrecen una resistencia y templabilidad limitadas, por lo que son más adecuadas para aplicaciones de menor exigencia.
Endurecimiento superficial frente a endurecimiento total
| Aspecto | endurecimiento superficial | Mediante el endurecimiento |
|---|---|---|
| Acero base al carbono | 0,10 a 0,25% | ~0,30% y superior |
| dureza superficial | 58 a 64 HRC | 58 a 64 HRC (acero para herramientas) |
| dureza del núcleo | 25 a 45 HRC | Igual que la superficie |
| Resistencia central | Alta | Bajo a alta dureza |
| Resistencia al desgaste | Solo superficie | Sección transversal completa |
| Después del desgaste | Núcleo blando expuesto, falla rápido | Se viste de forma uniforme |
| Resistencia a la fatiga | Excelente, por tensión superficial de compresión | Bien |
| Cambio dimensional | Algunos, por apagar | Varía, los grados de endurecimiento al aire se deforman menos. |
La tensión residual de compresión que queda en una capa carburizada supone una ventaja real para las piezas sometidas a flexión o contacto rodante, ya que suprime la iniciación de grietas por fatiga en la superficie.
Cómo elegir entre acero cementado y acero para herramientas
El endurecimiento superficial es la opción correcta cuando
- Entre las piezas que necesitan un núcleo resistente para soportar impactos o flexiones se incluyen engranajes, ejes y árboles de levas.
- El desgaste se limita a la superficie y la pieza puede tolerar una profundidad de desgaste limitada.
- La forma es compleja, ya que la carburación sigue superficies contorneadas y da como resultado una capa uniforme.
- La vida útil frente a la fatiga por flexión o contacto es fundamental, y la tensión superficial de compresión proporciona un beneficio directo.
El acero para herramientas templado en toda su masa es la elección correcta cuando
- La pieza es una herramienta de corte que se reafilará, por lo que el filo debe tener propiedades uniformes en toda su profundidad.
- El desgaste puede penetrar más allá de una capa delgada, como ocurre en procesos de troquelado, cizallado y extrusión de alta resistencia.
- Se requiere una alta dureza en caliente, por ejemplo, H13 en la fundición a presión.
- Toda la sección transversal debe resistir la deformación plástica, como ocurre en los punzones y las matrices de conformado.
Por qué el endurecimiento superficial no puede reemplazar al acero para herramientas en matrices y herramientas de corte.
Una capa superficial es poco profunda, típicamente de 0,5 a 2 mm. Una vez que se desgasta, el núcleo blando queda expuesto y la pieza falla rápidamente. Los troqueles también se rectifican varias veces durante su vida útil, y cada rectificado elimina material endurecido, por lo que un troquel cementado eventualmente expondría su núcleo blando. Además, la resistencia al desgaste de una capa cementada proviene únicamente de la martensita de alto contenido de carbono, mientras que un grado como el D2 contiene una alta fracción volumétrica de carburos de cromo duros, aproximadamente de 12 a 18% en volumen, que resisten la abrasión mucho mejor. Para un filo de corte, la retención del filo del acero para herramientas templado en toda su masa es de una clase diferente.
El endurecimiento superficial es excelente para engranajes, ejes y cojinetes. Sin embargo, no es la opción adecuada para matrices de troquelado, punzones, herramientas de conformado ni herramientas de corte, que requieren acero para herramientas templado en toda su masa.
Control de calidad para piezas cementadas
- Profundidad de la capa endurecida: medida mediante un análisis de dureza desde la superficie hasta el núcleo, o mediante examen microscópico, en comparación con la profundidad efectiva de la capa endurecida especificada.
- Dureza superficial: Rockwell C o Vickers con una carga específica.
- Dureza del núcleo: generalmente se mide en el radio medio o en el centro.
- Microestructura: martensita fina en el caso de la muestra, sin carburos continuos en los límites de grano y con austenita retenida controlada.
- Distorsión: comprobación dimensional tras el tratamiento térmico.