¿Qué es la carburación? Definición, tipos y proceso

¿Qué es la carburación?

La cementación es un proceso de cementación en el que el carbono se difunde en la capa superficial de una pieza de acero a una temperatura lo suficientemente alta como para cambiar la estructura del grano de acero. Este cambio permite que el acero absorba carbono. El resultado es una capa resistente al desgaste que hace que la cementación sea un proceso ideal en la producción de metales resistentes y seguros.

La 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 o monóxido de carbono. La intención es hacer que el metal sea más duro.

Dependiendo de la cantidad de tiempo y la temperatura, el área afectada puede variar en contenido de carbono. Los tiempos de cementación 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 por enfriamiento rápido, el mayor contenido de carbono en la superficie exterior se endurece debido a la transformación de austenita en 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 bajas en carbono;
• Las piezas de trabajo están en contacto con un gas, líquido o sólido con alto contenido de carbono;
• Produce una superficie de pieza de trabajo dura; los núcleos de las piezas conservan en gran medida su tenacidad y ductilidad, y
• Produce profundidades de dureza de carcasa de hasta 0,25 pulgadas (6,4 mm).

En algunos casos, sirve como remedio para la descarburación no deseada que ocurrió antes en un proceso de fabricación.

Método de carburación

La cementación del acero implica el tratamiento térmico de la superficie metálica utilizando una fuente de carbono. La carburación se puede utilizar para aumentar la dureza de la superficie del acero con bajo contenido de carbono. La carburización antigua utilizaba una aplicación directa de carbón vegetal empaquetado alrededor de la muestra a tratar, pero las técnicas modernas utilizan gases o plasmas que contienen carbono.

El proceso depende principalmente de la composición del gas ambiental y 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 carburización 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 de varios metales, en particular del acero inoxidable. El proceso es respetuoso con el medio ambiente. También proporciona un tratamiento uniforme de los componentes con geometría compleja, lo que lo hace muy flexible en términos de tratamiento de componentes.

El proceso de carburización funciona mediante la difusión de átomos de carbono en las capas superficiales del metal. Como los metales están formados por átomos unidos estrechamente en una red cristalina metálica, los átomos de carbono se difunden en la estructura cristalina del metal y permanecen en solución o reaccionan con los elementos del metal huésped para formar carburos.

Si el carbono permanece en una solución sólida, el acero se trata térmicamente para endurecerlo. Ambos mecanismos fortalecen la superficie del metal, el primero formando perlita o martensita, y el segundo mediante la formación de carburos. Ambos materiales son duros y resisten la abrasión.

La cementación con gas se lleva a cabo normalmente a una temperatura dentro del rango de 900 a 950 °C.

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

Tipos de carburación

En el pasado, dependiendo de la fuente de carbono, había tres tipos de métodos de cementación:cementación sólida, cementación líquida y cementación con gas. En consecuencia, se utilizan carbón vegetal, sal fundida y gases que contienen carbono, como el gas natural y el propano.

Hay tres tipos de carburación que se usan comúnmente:

• Carburación de gas
• Líquidos carburantes
• carburación sólida

Los tres procesos se basan en la transformación de austenita en martensita durante el enfriamiento. El aumento en el contenido de carbono en la superficie debe ser lo suficientemente alto para dar como resultado una capa martensítica con suficiente dureza, típicamente 700 HV, para proporcionar una superficie resistente al desgaste.

El contenido de carbono requerido en la superficie después de la difusión suele ser de 0,8 a 1,0 % C. Estos procesos pueden llevarse a cabo en una variedad de aceros al carbono, aceros aleados y hierros fundidos, en los que el contenido de carbono en la masa es un máximo de 0,4 % y normalmente menos del 0,25%. Un tratamiento térmico incorrecto puede provocar oxidación o descarburación.

Aunque es un proceso relativamente lento, la cementación se puede utilizar como un proceso continuo y es adecuada para el endurecimiento superficial de gran volumen.

1. Carburación de gas

En la cementación con gas, consiste en calentar el acero al carbono hasta la temperatura de austenización en presencia de una atmósfera rica en carbono. Es común usar un gas portador, como gas endotérmico ("Endo") junto con enriquecimiento de hidrocarburos (gas natural o propano).

El componente se mantiene en un horno que contiene una atmósfera de metano o propano con un gas portador neutro, generalmente una mezcla de N2, CO, CO2, H2 y CH4. A la temperatura de cementación, el metano (o propano) se descompone en la superficie del componente en carbono atómico e hidrógeno, y el carbono se difunde en la superficie.

La temperatura es típicamente de 925 °C y los tiempos de cementación van desde 2 horas para una carcasa con una profundidad de 1 mm hasta un máximo de 36 horas para una carcasa con una profundidad de 4 mm. El medio de enfriamiento suele ser aceite, pero puede ser agua, solución salina, soda cáustica o polímero.

2. Cementación al vacío

Este proceso de cementación implica un entorno libre de oxígeno y de baja presión. Este proceso utiliza hidrocarburos gaseosos como el metano. Dado que el ambiente está libre de oxígeno, la temperatura de cementación se puede aumentar sin preocuparse por la oxidación. Cuanto mayor sea la temperatura, mayor será la solubilidad del carbono y la tasa de difusión, lo que minimiza el tiempo necesario para la profundidad de la caja

3. Carburante Líquido

La cementación líquida es un proceso utilizado para el endurecimiento superficial de piezas de acero o hierro. Las piezas se mantienen a una temperatura superior a Ac1 en una sal fundida que introduce carbono y nitrógeno, o solo carbono, en el metal. La mayoría de los baños de cementación líquidos contienen cianuro, que introduce tanto carbono como nitrógeno en la carcasa.

Los líquidos o cianuros se carburan colocando el componente en un baño de sal a una temperatura de 845 a 955 °C. La sal suele ser una mezcla de cianuro-cloruro-carbonato y es altamente tóxica. Las sales de cianuro introducen una pequeña cantidad de nitrógeno en la superficie, lo que mejora aún más su dureza. Aunque es el proceso de cementación más rápido, solo es adecuado para lotes pequeños.

4. Carburación sólida (Carburación en paquete)

La cementación sólida o en paquete es un proceso en el que el monóxido de carbono derivado de un compuesto sólido se descompone en la superficie del metal en carbono naciente y dióxido de carbono. Los contenedores de cementación están hechos de acero al carbono, acero al carbono revestido de aluminio o aleaciones resistentes al calor de hierro, níquel y cromo.

Los componentes están rodeados por un medio carburante y colocados en una caja sellada. El medio suele ser coque o carbón vegetal mezclado con carbonato de bario. El proceso es realmente un proceso de carburización de gas ya que el CO producido se disocia en CO2 y carbono que se difunden en la superficie de los componentes.

Las temperaturas son típicamente de 790 a 845 °C por tiempos de 2 a 36 horas. La cementación con empaquetadura es el proceso de cementación menos sofisticado y, por lo tanto, sigue siendo un método ampliamente utilizado.

carbonitruración

La carbonitruración se realiza sobre una sección similar de acero, aunque el contenido de carbono en masa puede ser del 0,4-0,5%. El método es particularmente adecuado para endurecer la superficie de componentes que requieren un núcleo endurecido, como engranajes y ejes.

La carbonitruración es una modificación de la cementación con gas en la que se agrega amoníaco al metano o propano y es la fuente de nitrógeno.

Preguntas frecuentes

¿Qué es la carburación?

La cementación es un caso del proceso de endurecimiento en el que el carbono se difunde en la capa superficial de una pieza de acero a una temperatura lo suficientemente alta como para cambiar la estructura del grano de acero. Este cambio permite que el acero absorba carbono.

¿Qué es el proceso de cementación?

La cementación es un proceso termoquímico en el que el carbono se difunde en la superficie de los aceros con bajo contenido de carbono para aumentar el contenido de carbono a niveles suficientes para que la superficie responda al tratamiento térmico y produzca una capa dura y resistente al desgaste. Hay tres tipos de carburación comúnmente utilizados:carburación a gas.

¿Cuáles son los tres tipos de cementación?

Históricamente, existen tres tipos de métodos de cementación según la fuente de carbono:cementación sólida, cementación líquida y cementación con gas. En consecuencia, se utilizan carbón vegetal, sal fundida y gases que contienen carbono, como el gas natural y el propano.

¿Cuáles son los tipos de Carburación?

Tipos de Carburación

• Paquete de carburación
• Carburación de gas
• Carburación al vacío
• Carburación líquida

¿Cuál es el propósito de la carburación?

El propósito de este proceso es hacer que el metal sea más duro y manejable. La dureza del acero con bajo contenido de carbono se puede mejorar mediante la adición de carbono bajo cierta forma de tratamiento térmico. Cuando se realiza con éxito, puede mejorar la dureza de la superficie del acero.

¿Por qué se realiza la cementación del acero?

La carburación aumenta la fuerza y ​​la resistencia al desgaste al difundir el carbono en la superficie del acero creando una caja mientras retiene una dureza sustancialmente menor en el núcleo. Este tratamiento se aplica a las piezas de acero con bajo contenido de carbono después del mecanizado, así como a los cojinetes, engranajes y otros componentes de acero de alta aleación.

¿Qué es la cementación y la nitruración?

La nitruración y la cementación son las dos prácticas de tratamiento térmico más comunes para el endurecimiento superficial de componentes funcionales. La principal diferencia es que en la nitruración, los átomos de nitrógeno se difunden en la superficie de las piezas que se procesan, mientras que en la cementación se utiliza carbono.

¿Cuál es la diferencia entre cementación y cementación?

El endurecimiento superficial es el proceso de endurecimiento solo de la superficie de la pieza. También se conoce como cementación. En el proceso de cementación, el componente bajo en carbono se coloca en un horno que contiene una atmósfera de carbono cuidadosamente controlada.

¿Cuál es la temperatura de cementación?

Los hornos de cementación son de gas o eléctricos. La temperatura de carburación varía de 870 a 940 ºC la atmósfera gaseosa para la carburación se produce a partir de hidrocarburos líquidos o gaseosos como propano, butano o metano.

¿Qué es la cementación líquida?

La cementación líquida es un proceso que se suele utilizar para piezas de tamaño pequeño y mediano. En el baño de sal, el carbono que se difundirá en la pieza de trabajo proviene de una sal fundida que es una mezcla de cianuro de sodio (NaCN) y cloruro de bario (BaCl2).

¿Qué acero se puede cementar?

La microestructura del núcleo no se verá alterada durante este procesamiento a baja temperatura. Mientras que la cementación se usa principalmente para aceros con bajo contenido de carbono y aceros de baja aleación, la nitruración se usa para aceros con bajo contenido de carbono, aceros aleados, aceros para herramientas y aceros inoxidables. Los aceros nitrurados pueden tener una dureza y una resistencia al desgaste superiores.

¿Cuáles son los dos pasos para cementar?

Aunque la cementación en atmósfera consta de varios pasos del proceso, se puede simplificar para incluir dos procesos principales:la generación de carbono en el horno y la difusión de carbono en la pieza de trabajo. El primero proporciona átomos de carbono mientras que el segundo determina el gradiente de concentración de carbono.

¿Por qué se agrega BaCO3 en Carburizer sólido?

“El proceso de carburación se realiza a menudo para endurecer la superficie del engranaje y la leva o leva (Malau, V., 1999)”. Para acelerar la penetración del carbono en la muestra durante el proceso de pengarbonan, es necesario agregar otros elementos como BaCO3, NaCO3 y otros.

¿Cuál de los siguientes gases se utiliza para la carburización con gas?

Cementación con gas, incluido un proceso de carbonitruración o nitruración con gas que implica el uso de gas amoníaco (NH3), que produce nitrógeno naciente que ingresa a la carcasa del acero y aumenta la dureza.

¿Qué metales pueden ser nitruros?

El aluminio, cromo, molibdeno, titanio, tungsteno y vanadio se combinan fácilmente con nitrógeno a altas temperaturas para formar nitruros de los respectivos metales. Las aleaciones de acero con bajo contenido de carbono que contienen estos metales suelen ser buenas candidatas para la nitruración.

¿Cuál es la diferencia entre cementación y carbonitruración?

La diferencia clave entre la cementación y la carbonitruración es que la cementación es el proceso de endurecimiento de una superficie de acero con carbono, mientras que la carbonitruración es el proceso de endurecimiento de una superficie de acero con carbono y nitrógeno.

¿Se requiere tratamiento térmico después de la cementación?

El componente puede enfriarse desde la temperatura de cementación o puede recalentarse a la temperatura de austenización apropiada y enfriarse. El enfriamiento directo requiere menos tiempo y es económico, pero no es posible en la práctica de cementación en paquete. Por lo tanto, las piezas carburizadas en paquete se recalientan y apagan invariablemente.

¿La cementación cambia de tamaño?

Es virtualmente imposible que una pieza de trabajo se someta a carburización sin tener algunos cambios dimensionales. La cantidad de estos cambios varía según el 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.

¿Qué es la carburación del paquete?

El método más antiguo de cementación, en el que los componentes se empaquetaban en una caja adecuada, junto con materiales que contienen carbono, como carbón vegetal, pezuñas, pieles, grasa animal y cuernos, y se calentaban a la temperatura de cementación.

¿Qué tipo de difusión es la carburación?

En el proceso de cementación, la difusión de carbono determina el gradiente de concentración de carbono y el perfil de dureza en el caso de la pieza de trabajo. Aunque la cementación es un proceso complicado, se puede dividir en dos pasos principales:generación de carbono en el horno y difusión de carbono en la pieza de trabajo.

¿El tratamiento térmico encoge el metal?

Se ha realizado trabajo experimental en muchos materiales para mostrar los efectos del tratamiento térmico en el cambio de tamaño. Los efectos son diferentes para cada grado de material. Por ejemplo, un cubo de 3,15 pulgadas de acero para herramientas D-2 durante el endurecimiento creció un 0,08 % en una dimensión, mientras que se contrajo en las otras dos dimensiones.

¿Por qué ocurre el endurecimiento de la carcasa?

El endurecimiento superficial es un método de procesamiento de materiales que se utiliza para aumentar la dureza de la superficie exterior de un metal. Dado que los procesos de endurecimiento reducen la formabilidad y la maquinabilidad, el endurecimiento superficial se suele realizar una vez que se han completado la mayoría de los demás procesos de fabricación.