Cementación: Definición, Tipos y Proceso de Endurecimiento del Acero

¿Qué es la Cementación?

La cementación es un proceso de endurecimiento superficial en el que el carbono difunde en la capa superficial de una pieza de acero a temperatura suficientemente alta para cambiar la estructura granular del acero. Este cambio permite que el acero absorba carbono. El resultado es una capa resistente al desgaste, haciendo de la cementación un proceso ideal para producir metales fuertes y seguros.

Es un tratamiento térmico en el que hierro o acero absorben carbono mientras el metal se calienta en presencia de material portador de carbono (carbón vegetal, monóxido de carbono). La intención es endurecer el metal.

Según tiempo y temperatura, la zona afectada varía en contenido de carbono. Tiempos más largos y temperaturas más altas aumentan típicamente la profundidad de difusión del carbono.

Al enfriar rápidamente (temple), el mayor contenido de carbono en la superficie se endurece por transformación de austenita a martensita, mientras el núcleo permanece blando y tenaz como microestructura ferrítica y/o perlítica.

Este proceso de fabricación se caracteriza por:

• Aplicado a piezas de bajo carbono.
• Piezas en contacto con gas, líquido o sólido rico en carbono.
• Produce superficie dura; núcleos retienen tenacidad y ductilidad.
• Produce profundidades de dureza superficial hasta 6,4 mm (0,25 pulg.).

En algunos casos, remedia descarburación no deseada ocurrida antes en la fabricación.

Método de Cementación

Implica tratamiento térmico de la superficie metálica usando fuente de carbono. Puede aumentar dureza superficial de aceros de bajo carbono. Antiguamente: aplicación directa de carbón vegetal empaquetado alrededor de la muestra. Técnicas modernas: gases portadores de carbono o plasmas.

El proceso depende principalmente de composición del gas ambiente y temperatura del horno, que deben controlarse cuidadosamente, pues el calor también puede afectar la microestructura del resto del material. Para aplicaciones que requieren gran control sobre composición del gas, la cementación puede realizarse a presiones muy bajas en cámara de vacío.

La cementación por plasma se usa cada vez más para mejorar características superficiales de diversos metales, especialmente acero inoxidable. Proceso ecológico. Tratamiento uniforme de componentes con geometría compleja, muy flexible.

Funciona por difusión de átomos de carbono en capas superficiales del metal. Al estar los metales formados por átomos unidos en red cristalina metálica, los átomos de carbono difunden en la estructura cristalina y bien permanecen en solución sólida o reaccionan con elementos del metal huésped formando carburos.

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

La cementación gaseosa se realiza normalmente a 900-950 °C.

En soldadura oxiacetilénica, llama carburante (poco oxígeno) produce llama hollín, baja temperatura. Usada para recocer metal, volviéndolo más maleable y flexible durante la soldadura.

Tipos de Cementación

Históricamente, según fuente de carbono: cementación sólida, líquida y gaseosa. Carbón vegetal, sal fundida y gases con carbono (gas natural, propano) usados respectivamente.

Tres tipos comúnmente usados:

• Cementación gaseosa
• Cementación líquida
• Cementación sólida

Los tres se basan en transformación de austenita a martensita durante el temple. El aumento de carbono en superficie debe ser suficiente para resultar en capa martensítica con dureza suficiente (típicamente 700 HV) para superficie resistente al desgaste.

Contenido de carbono requerido en superficie tras difusión: usualmente 0,8-1,0 % C. Estos procesos aplicables a aceros al carbono, aleados y hierros fundidos con carbono en masa máx. 0,4 % (usualmente < 0,25 %). Tratamiento térmico incorrecto puede causar oxidación o descarburación.

Aunque es proceso relativamente lento, puede usarse como proceso continuo y es adecuado para endurecimiento superficial de alto volumen.

1. Cementación Gaseosa

Calentar acero al carbono a temperatura de austenitización en atmósfera rica en carbono. Común usar gas portador (gas endoterma "Endo") con enriquecimiento de hidrocarburo (gas natural o propano).

Componente en horno con atmósfera de metano/propano y gas portador neutro (mezcla N₂, CO, CO₂, H₂, CH₄). A temperatura de cementación, metano (o propano) se descompone en superficie del componente en carbono atómico e hidrógeno, difundiéndose el carbono en la superficie.

Temperatura típica: 925 °C. Tiempos: 2 horas para profundidad 1 mm hasta 36 horas para 4 mm. Medio de temple usual: aceite (también agua, salmuera, sosa cáustica, polímero).

2. Cementación al Vacío

Proceso en ambiente de baja presión, libre de oxígeno. Usa hidrocarburos gaseosos (metano). Al no haber oxígeno, la temperatura puede aumentarse sin oxidación. Mayor temperatura = mayor solubilidad y difusión de carbono, minimizando tiempo para profundidad de capa.

3. Cementación Líquida

Proceso para endurecimiento superficial de piezas de acero/hierro. Piezas mantenidas sobre Ac1 en sal fundida que introduce carbono y nitrógeno, o solo carbono. La mayoría de baños contienen cianuro, introduciendo ambos elementos en la capa.

Componentes en baño de sal a 845-955 °C. Sal: mezcla cianuro-cloruro-carbonato, altamente tóxica. Sales de cianuro introducen poco nitrógeno en superficie, mejorando dureza. Aunque es el proceso más rápido, solo apto para lotes pequeños.

4. Cementación Sólida (Cementación en Caja / Pack Carburizing)

Monóxido de carbono derivado de compuesto sólido se descompone en superficie del metal en carbono nascente y CO₂. Recipientes de acero al carbono, acero al carbono recubierto de aluminio o aleaciones Fe-Ni-Cr resistentes al calor.

Componentes rodeados de medio cementante en caja sellada. Medio: coque o carbón vegetal mezclado con carbonato de bario. Realmente es proceso de cementación gaseosa ya que CO producido se disocia en CO₂ y carbono que difunden en superficie.

Temperaturas típicas: 790-845 °C por 2-36 horas. Cementación en caja es la menos sofisticada y por ello ampliamente usada.

Carbonitruración

Realizada en aceros de sección similar, aunque carbono en masa puede ser 0,4-0,5 %. Especialmente adecuada para endurecer superficie de componentes que requieren núcleo endurecido (ej. engranajes, ejes).

Modificación de cementación gaseosa añadiendo amoníaco al metano/propano como fuente de nitrógeno.

Preguntas Frecuentes

¿Qué es la cementación?

Proceso de endurecimiento superficial donde carbono difunde en capa superficial de pieza de acero a temperatura que cambia estructura granular, permitiendo absorción de carbono.

¿Qué es el proceso de cementación?

Proceso termoquímico donde carbono difunde en superficie de aceros bajo en carbono para aumentar contenido de carbono a niveles suficientes para que superficie responda a tratamiento térmico y produzca capa dura y resistente al desgaste. Tres tipos comunes: gaseosa, líquida, sólida.

¿Cuáles son los tres tipos de cementación?

Históricamente tres según fuente de carbono: sólida, líquida, gaseosa. Carbón vegetal, sal fundida, gases portadores de carbono (gas natural, propano) usados correspondientemente.

¿Cuáles son los tipos de cementación?

• Cementación en caja (Pack)
• Cementación gaseosa
• Cementación al vacío
• Cementación líquida

¿Cuál es el propósito de la cementación?

Endurecer el metal y hacerlo más manejable. La dureza de acero con bajo carbono puede mejorarse añadiendo carbono bajo cierto tratamiento térmico. Bien realizada, mejora dureza superficial del acero.

¿Por qué se cementa el acero?

Aumenta resistencia y resistencia al desgaste difuyendo carbono en superficie creando capa (case) mientras retiene dureza sustancialmente menor en el núcleo. Aplicado a piezas de bajo carbono tras mecanizado, y rodamientos, engranajes, componentes de alta aleación.

¿Qué es cementación y nitruración?

Dos prácticas más comunes de tratamiento térmico para endurecimiento superficial funcional. Diferencia principal: nitruración difunde nitrógeno; cementación difunde carbono.

¿Diferencia entre endurecimiento superficial y cementación?

Endurecimiento superficial = endurecer solo la superficie de la pieza. También conocido como cementación. En cementación, componente de bajo carbono se coloca en horno con atmósfera de carbono cuidadosamente controlada.

¿Cuál es la temperatura de cementación?

Hornos de gas o eléctricos. Temperatura varía 870-940 °C. Atmósfera de gas para cementación producida de hidrocarburos líquidos/gaseosos (propano, butano, metano).

¿Qué es cementación líquida?

Proceso usual para piezas pequeñas/medianas. En baño de sal, carbono a difundir proviene de sal fundida: mezcla cianuro sódico (NaCN) y cloruro de bario (BaCl₂).

¿Qué acero puede cementarse?

Microestructura del núcleo no se altera en este procesado a baja temperatura. Aunque cementación se usa principalmente para aceros bajo en carbono y baja aleación, nitruración se usa para aceros bajo en carbono, aleados, herramientas e inoxidables. Aceros nitrurados pueden tener superior resistencia al desgaste y dureza.

¿Cuáles son los dos pasos de la cementación?

Aunque cementación atmosférica consta de varios pasos, puede simplificarse en dos procesos mayores: generación de carbono en horno y difusión de carbono en pieza. El primero provee átomos de carbono; el segundo determina gradiente de concentración.

¿Por qué se añade BaCO₃ en cementación sólida?

"Proceso de cementación a menudo para endurecer superficie de engranaje y leva". Para acelerar penetración de carbono en muestra durante cementación, necesario añadir elementos como BaCO₃, NaCO₃ y otros.

¿Cuál de los siguientes gases se usa para cementación gaseosa?

Cementación gaseosa, incluyendo carbonitruración o nitruración gaseosa con amoníaco (NH₃), que produce nitrógeno nascente que entra en la capa del acero y aumenta dureza.

¿Qué metales pueden nitrurarse?

Al, Cr, Mo, Ti, W, V combinan fácilmente con nitrógeno a alta temperatura formando nitruros. Aceros de bajo carbono conteniendo estos metales son buenos candidatos para nitruración.

¿Diferencia entre cementación y carbonitruración?

Diferencia clave: cementación endurece superficie usando carbono; carbonitruración usa carbono y nitrógeno.

¿Se requiere tratamiento térmico tras cementación?

Componente puede temple directamente desde temperatura de cementación o recalentarse a temperatura de austenitización apropiada y temple. Temple directo menos lento y barato pero no posible en cementación en caja. Por eso piezas cementadas en caja invariablemente se recalientan y templean.

¿Cambia de tamaño la cementación?

Virtualmente imposible cementar sin cambios dimensionales. Cantidad varía según material, proceso y tamaño/forma original.

¿Qué es cementación en caja?

Método más antiguo de endurecimiento superficial: componentes empaquetados en caja con materiales portadores de carbono (carbón, pezuñas, cuero, grasa animal, cuerno) y calentados a temperatura de cementación.

¿Qué tipo de difusión es la cementación?

En cementación, difusión de carbono determina gradiente de concentración y perfil de dureza en la capa. Aunque complicado, puede dividirse en dos pasos: generación de carbono en horno y difusión en pieza.

¿El tratamiento térmico encoge el metal?

Trabajos experimentales en muchos materiales muestran efectos en cambio de tamaño. Efectos difieren por grado de material. Ej: cubo de 3,15 pulg de acero herramienta D-2 al endurecer creció 0,08 % en una dimensión, encogió en las otras dos.

¿Por qué ocurre el endurecimiento superficial?

Método de procesado para aumentar dureza de superficie exterior de metal. Como procesos de endurecimiento reducen conformabilidad y maquinabilidad, el endurecimiento superficial suele hacerse tras completar la mayoría de otros procesos de fabricación.