Acero de cementación: proceso, grados y cuándo utilizarlo
¿Qué es la cementación?
La cementación es un grupo de tratamientos superficiales que producen una capa exterior dura y resistente al desgaste (la “capa cementada”) sobre un núcleo tenaz y dúctil. El método más común es la carburación, que difunde carbono en la superficie del acero de bajo carbono. Los métodos de difusión relacionados son la carbonitruración (carbono y nitrógeno) y la nitruración (solo nitrógeno). Todos ellos endurecen la superficie cambiando su química y luego templando la pieza cuando el proceso lo requiere.
La cementación no debe confundirse con el temple por inducción o por llama. Estos también endurecen una capa superficial, pero lo hacen calentando y templando localmente un acero que ya contiene suficiente carbono, sin añadir ningún elemento nuevo. Esta guía cubre los procesos de cementación basados en 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 tenaz y resistente al impacto, típicamente de 30 a 45 HRC
Un acero endurecido en toda su sección hasta 60 HRC sería demasiado frágil para una pieza sometida a impactos, mientras que un núcleo a 35 HRC se desgastaría rápidamente si quedara expuesto en la superficie. La cementación separa los dos requisitos en dos zonas de la misma pieza.
Cómo funciona la cementación
Carburación (la más común)
Carburización añade carbono a la superficie del acero de bajo carbono (típicamente 0.10 a 0.25% de carbono), que no es lo suficientemente alto para endurecerse por sí solo.
- Difusión de carbono: la pieza se mantiene a 900-950°C en una atmósfera rica en carbono (gas, sal fundida o compuesto sólido). El carbono se disuelve en la austenita en la superficie y se difunde hacia el interior.
- Profundidad de capa: la profundidad efectiva de capa típica es de 0,5 a 2,0 mm. El crecimiento sigue la raíz cuadrada del tiempo en lugar de una velocidad constante, por lo que una capa más profunda tarda desproporcionadamente más. Aproximadamente, duplicar la profundidad de capa requiere unas cuatro veces el tiempo de carburación a una temperatura dada.
- Temple: la pieza se templa en aceite o agua. La superficie de alto carbono se transforma en martensita dura a 60-64 HRC, mientras que el núcleo de bajo carbono permanece más blando y tenaz.
- Revenido: un revenido a baja temperatura de 150 a 200°C alivia las tensiones con poca pérdida de dureza superficial.
Carbonitruración
La carbonitruración es esencialmente una carburación con nitrógeno añadido a la atmósfera. El nitrógeno aumenta la templabilidad de la capa y reduce la temperatura de endurecimiento, por lo que la pieza puede procesarse a alrededor de 800 a 870°C y templarse en aceite. Las profundidades de capa son menores que en la carburación, normalmente de 0,1 a 0,5 mm, y el ciclo es más rápido. Es adecuada para piezas más pequeñas y componentes de desgaste de gran volumen.
Nitruración
La nitruración difunde nitrógeno en la superficie a baja temperatura, alrededor de 500 a 550°C, en gas amoníaco o un baño de sales. No se necesita temple porque la dureza proviene de nitruros duros que se forman in situ. La capa es delgada, de aproximadamente 0.1 a 0.5mm, pero extremadamente dura, alrededor de 700 a 1100 HV, y la distorsión es mínima porque no hay temple ni cambio de fase en el núcleo.
La nitruración no se utiliza en los grados de carburación de bajo carbono simples. Requiere aceros que contengan elementos formadores de nitruros como cromo, molibdeno, aluminio o vanadio. En la práctica, esto significa aceros aleados de medio carbono (por ejemplo, 4140 y aceros dedicados a la nitruración) y muchos aceros para herramientas. H13, por ejemplo, se nitrura habitualmente para mejorar la resistencia al desgaste y a la erosión superficial en utillaje de fundición a presión y extrusión.
Aceros adecuados para la cementación
La carburación y la carbonitruración requieren un acero base de bajo carbono. Las adiciones de aleación en los grados superiores aumentan la resistencia del núcleo y la templabilidad de la capa para secciones más gruesas.
| Grado (AISI/GB) | Carbono | Aleación clave | Uso típico |
|---|---|---|---|
| 1018 | ~0.18% | Mn | Piezas de desgaste de baja solicitación, menor costo |
| 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 para servicio pesado |
| 9310 | ~0.10% | Ni-Cr-Mo | Engranajes aeronáuticos, alta fiabilidad |
| 20CrMnTi | ~0.20% | Cr-Mn-Ti | Engranajes de transmisión automotriz (común en China) |
8620 es el grado aleado para cementación más utilizado, equilibrando la tenacidad del núcleo con una templabilidad moderada. 20CrMnTi añade titanio para el refinamiento del grano y domina la producción china de engranajes automotrices. Los grados de carbono simple 1018 y 1020 son las opciones más económicas pero ofrecen resistencia del núcleo y templabilidad limitadas, por lo que son más adecuados para aplicaciones de servicio ligero. El grado japonés de cromo-molibdeno para cementación SCM415 cubre las mismas familias de piezas, y su composición y límites de tratamiento térmico se indican en el Acero aleado SCM415 referencia.
Cementación frente a temple total
| Aspecto | Cementación | Temple total |
|---|---|---|
| Carbono del acero base | 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 |
| Tenacidad del núcleo | Alto | Baja a alta dureza |
| Resistencia al desgaste | Solo en la superficie | Sección transversal completa |
| Tras el desgaste total | Núcleo blando expuesto, falla rápido | Se desgasta uniformemente |
| Resistencia a la fatiga | Excelente, por tensión superficial de compresión | Bien |
| Cambio dimensional | Algo, por el temple | Variable, los grados de temple al aire se distorsionan menos |
La tensión residual de compresión que queda en una capa cementada es una ventaja real para piezas sometidas a flexión o contacto de rodadura, porque suprime la iniciación de grietas por fatiga en la superficie.
Elección entre cementación y acero para herramientas
La cementación es la opción correcta cuando
- Las piezas que necesitan un núcleo tenaz para resistir impactos o flexión 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 cementación sigue las superficies contorneadas y produce una capa uniforme.
- La vida a fatiga por flexión o contacto es crítica, con la tensión superficial de compresión aportando un beneficio directo.
El acero para herramientas templado en todo su espesor es la opción correcta cuando
- La pieza es una herramienta de corte que se reafilará, por lo que el filo debe tener propiedades consistentes en toda su profundidad.
- El desgaste puede penetrar más allá de una capa delgada, como en el punzonado pesado, el cizallado y la extrusión.
- Se requiere alta dureza en caliente, por ejemplo, H13 en fundición a presión.
- Toda la sección transversal debe resistir la deformación plástica, como en punzones y matrices de conformado.
Por qué la cementación no puede sustituir al acero para herramientas en matrices y herramientas de corte
La capa es poco profunda, típicamente 0.5-2mm. Una vez que se desgasta por completo, el núcleo blando queda expuesto y la pieza falla rápidamente. Las matrices también se rectifican varias veces a lo largo de su vida útil, y cada rectificado elimina material endurecido, por lo que una matriz cementada acabaría exponiendo su núcleo blando. Además, la resistencia al desgaste de una capa cementada proviene únicamente de la martensita de alto carbono, mientras que un grado como D2 contiene una alta fracción volumétrica de carburos de cromo duros, aproximadamente 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 todo su espesor es de otra categoría.
La cementación es excelente para engranajes, ejes y rodamientos. Es la opción incorrecta para matrices de punzonado, punzones, herramientas de conformado y herramientas de corte, que requieren acero para herramientas templado en todo su espesor.
Control de calidad para piezas cementadas
- Profundidad de la capa: medida mediante un barrido de dureza desde la superficie hasta el núcleo, o mediante examen microscópico, frente a la profundidad efectiva de capa especificada.
- Dureza superficial: Rockwell C o Vickers con una carga especificada.
- Dureza del núcleo: generalmente medida en el radio medio o en el centro.
- Microestructura: martensita fina en la capa, sin carburos continuos en los límites de grano y austenita retenida controlada.
- Distorsión: verificación dimensional después del tratamiento térmico.