¿Cómo se endurece el acero? Métodos, pasos y consejos

Lo que realmente le hace el endurecimiento al acero

El endurecimiento por cementación es un proceso de tratamiento térmico que endurece la superficie exterior de una pieza de acero mientras mantiene el núcleo interior resistente y dúctil. El resultado es un componente que resiste el desgaste y la fatiga superficial en el exterior, pero que puede absorber golpes y tensiones sin agrietarse en el interior. Esta combinación es exactamente lo que la forja de acero y los componentes mecanizados requieren en aplicaciones exigentes como engranajes, árboles de levas, ejes y herramientas de corte.

La capa exterior endurecida, llamada "funda", generalmente varía desde 0,1 mm a más de 3 mm de profundidad , dependiendo del método utilizado y del tiempo de exposición. El núcleo permanece relativamente blando, generalmente entre 20 y 40 HRC, mientras que el caso puede alcanzar 58–65 HRC en procesos bien controlados. Esta estructura de doble zona no se puede lograr únicamente mediante el endurecimiento total, lo que hace que el cementado sea una técnica distinta y muy práctica en la forja y fabricación de acero.

Vale la pena entender que no todos los aceros responden igual al endurecimiento por cementación. Los aceros con bajo contenido de carbono (0,1% –0,3% de carbono) son los más comúnmente endurecidos porque sus núcleos permanecen dúctiles después del tratamiento. Los aceros con contenido medio de carbono también se pueden tratar, pero los aceros con alto contenido de carbono generalmente se endurecen completamente, ya que sus núcleos ya son capaces de alcanzar una alta dureza.

Los principales métodos utilizados para endurecer el acero

Existen varios métodos establecidos para el endurecimiento del acero, cada uno de ellos adecuado para diferentes materiales, requisitos de profundidad de la caja y entornos de producción. La elección del correcto depende de la aleación de acero base, la dureza superficial deseada, las tolerancias dimensionales y el equipo disponible.

Carburación

La carburación es el método de cementación más utilizado para componentes de forja de acero. El proceso implica exponer acero con bajo contenido de carbono a un ambiente rico en carbono a altas temperaturas, generalmente 850°C a 950°C (1560°F a 1740°F) — el tiempo suficiente para que el carbono se difunda en la superficie. Una vez que se ha absorbido suficiente carbono, la pieza se enfría para bloquearla en la carcasa endurecida.

Hay tres variantes comunes de carburación:

• Carburación de gas: La pieza se coloca en un horno con una atmósfera de gas carbónico, normalmente gas endotérmico enriquecido con gas natural o propano. Este es el método más controlable y escalable, ampliamente utilizado en las industrias automotriz y de forja de acero.
• Paquete de carburación: La pieza de acero se envasa en un recipiente con material carbonoso sólido (como carbón vegetal mezclado con carbonato de bario) y se calienta durante varias horas. Se trata de un método de baja tecnología que todavía se utiliza en pequeños talleres o para formas irregulares.
• Carburación líquida (baño de sal): La pieza se sumerge en un baño de sal fundida a base de cianuro. Es rápido y eficaz, pero implica productos químicos peligrosos, por lo que su uso ha disminuido debido a preocupaciones medioambientales y de seguridad.

Un ciclo típico de carburación de gas para lograr un 1 mm de profundidad de la caja en un acero con bajo contenido de carbono como el AISI 8620 se necesitan aproximadamente entre 8 y 10 horas a 930 °C. Después de la cementación, la pieza se enfría en aceite o agua y luego se templa a entre 150 °C y 200 °C para aliviar las tensiones de enfriamiento y al mismo tiempo conservar la dureza de la superficie por encima de 60 HRC.

nitruración

La nitruración introduce nitrógeno en la superficie del acero en lugar de carbono. Funciona a temperaturas significativamente más bajas. 480°C a 590°C (900°F a 1095°F) - lo que significa que la distorsión es mínima y no se requiere enfriamiento. Esto hace que la nitruración sea particularmente adecuada para componentes de precisión y piezas terminadas donde la precisión dimensional es crítica.

El caso resultante es menos profundo que el de la carburación (típicamente 0,1 mm a 0,6 mm ), pero los valores de dureza superficial pueden exceder Equivalente a 70 HRC (1100 HV) en aceros aleados que contienen elementos formadores de nitruros como cromo, molibdeno, aluminio y vanadio. Los grados comunes de nitruración incluyen AISI 4140, 4340 y aceros de aleaciones nitrales.

La nitruración de gas utiliza amoníaco disociado en un horno. La nitruración por plasma (ion) utiliza una descarga eléctrica incandescente para introducir nitrógeno y puede tratar geometrías complejas de manera más uniforme. La nitruración en baño de sal (nitrocarburación ferrítica) es más rápida y mejora tanto la resistencia al desgaste como la resistencia a la corrosión.

Endurecimiento por inducción

El endurecimiento por inducción no implica difusión química. En cambio, utiliza inducción electromagnética para calentar rápidamente la superficie de una pieza de acero por encima de su temperatura de austenización, seguido de un enfriamiento inmediato. El proceso es extremadamente rápido: el calentamiento de la superficie puede ocurrir en 1 a 10 segundos - y produce una capa martensítica dura sin afectar el núcleo.

Este método requiere aceros con contenido medio de carbono (0,35% –0,55% de carbono) o aceros aleados que ya tengan suficiente carbono para formar martensita al enfriar. Se utiliza comúnmente para ejes, engranajes, cigüeñales y componentes ferroviarios en los sectores de forja de acero y automoción. La profundidad de los casos suele oscilar entre 1mm a 6mm dependiendo de la frecuencia utilizada y del tiempo de calentamiento.

Las frecuencias de inducción más altas producen casos menos profundos; las frecuencias más bajas penetran más profundamente. Una frecuencia de 10 kHz podría alcanzar una caja de 3 a 5 mm, mientras que una frecuencia de 200 kHz solo podría alcanzar de 0,5 a 1 mm. La dureza normalmente alcanza 55–62 CDH en aceros adecuadamente seleccionados.

Endurecimiento a la llama

El endurecimiento por llama utiliza una llama directa de oxiacetileno u oxipropano para calentar la superficie del acero rápidamente, seguido de un enfriamiento con agua. Es uno de los métodos de endurecimiento selectivo de superficies más antiguos y no requiere equipo de horno especializado. La técnica funciona con aceros aleados y de medio carbono y se aplica con frecuencia a piezas grandes o difíciles de manejar, como piezas forjadas grandes, guías de máquinas y ruedas dentadas, que no pueden caber fácilmente dentro de hornos o bobinas de inducción.

Las profundidades de las cajas con endurecimiento a la llama varían ampliamente desde 1,5 mm a 6 mm , y se pueden alcanzar valores de dureza de 50 a 60 HRC. Sin embargo, el proceso es menos controlable que el endurecimiento por inducción y lograr una profundidad de caja consistente en formas complejas requiere operadores capacitados.

Cianización y Carbonitruración

La carbonitruración introduce simultáneamente carbono y nitrógeno en la superficie del acero a temperaturas de 700°C a 900°C . A menudo se considera un híbrido de carburación y nitruración. La presencia de nitrógeno reduce la severidad del enfriamiento requerida, reduce la distorsión y mejora la templabilidad. Las profundidades de la caja son generalmente menores que las de la carburación completa. 0,07 mm a 0,75 mm - y se usa ampliamente para piezas de sección delgada, sujetadores y engranajes pequeños.

La cianuración utiliza un baño de cianuro de sodio líquido para introducir carbono y nitrógeno simultáneamente. Si bien es eficaz y rápido, la naturaleza tóxica de las sales de cianuro ha hecho que este método quede obsoleto en la mayoría de los países debido a regulaciones ambientales.

Proceso paso a paso para cementar acero en casa o en un taller

Para quienes trabajan fuera de un entorno industrial (en una herrería, un pequeño taller mecánico o una forja casera), la carburación en paquete es el método más accesible. A continuación se ofrece un recorrido práctico del proceso.

1. Seleccione el acero adecuado. Utilice un acero con bajo contenido de carbono como 1018, 1020 o A36. Los aceros con alto contenido de carbono no se benefician de la cementación de la misma manera. Los tochos de forja de acero fabricados con grados bajos en carbono son materiales de partida comunes.
2. Limpiar la pieza a fondo. Elimine todo el aceite, las incrustaciones, el óxido y la contaminación de la superficie. Los contaminantes actúan como barreras a la difusión del carbono y crean una profundidad desigual en la caja.
3. Prepare el compuesto carburante. Mezcle carbón de madera dura (triturado en trozos de 6 a 12 mm) con un energizante de carbonato; el carbonato de bario al 10-20 % en peso es tradicional, aunque el carbonato de calcio (polvo de piedra caliza) funciona como una alternativa más segura. El carbonato reacciona con el monóxido de carbono en el recipiente para producir CO₂, que vuelve a convertirse en CO y mantiene la atmósfera rica en carbono.
4. Empaca el contenedor. Coloque la pieza dentro de una caja de metal o un recipiente sellado (hierro fundido o acero grueso). Empaque el compuesto de carbón alrededor de la pieza, asegurando al menos 25 mm de compuesto en todos los lados. Selle la tapa con cemento refractario o arcilla refractaria para minimizar el escape de gas.
5. Calentar en un horno. Coloque el recipiente envasado en un horno y llévelo a 900°C–950°C (1650°F–1740°F) . Mantenga esta temperatura durante el tiempo de remojo requerido. Como guía aproximada, 1 hora a 900°C produce aproximadamente 0,25 mm de profundidad de caja; 8 horas producen aproximadamente 1 mm.
6. Apagar la pieza. Retire la pieza de la caja mientras aún esté caliente y enfríe inmediatamente en aceite (aceite de motor o aceite de enfriamiento). El enfriamiento con agua es más rápido pero aumenta el riesgo de agrietamiento. El enfriamiento con aceite es adecuado para la mayoría de los aceros con bajo contenido de carbono y produce una dureza de caja de 58 a 63 HRC.
7. Templar después del enfriamiento. Vuelva a calentar la pieza a 150 °C–200 °C (300 °F–390 °F) durante 1 a 2 horas para aliviar la tensión interna provocada por el enfriamiento. Esto reduce la fragilidad manteniendo la dureza de la superficie. Saltarse este paso corre el riesgo de sufrir microfisuras.

Una prueba de campo comúnmente utilizada para determinar la dureza de la carcasa es la prueba de la lima: una lima nueva y afilada debe deslizarse sobre la superficie sin cortar si la carcasa está completamente endurecida. Para una medición más precisa, las pruebas de dureza Rockwell (escala HRC) o las pruebas de microdureza Vickers en una sección transversal son enfoques estándar.

Comparación de métodos de endurecimiento de casos: una descripción práctica

La siguiente tabla resume las diferencias clave entre los métodos de cementación más comunes para ayudar a seleccionar el proceso adecuado para una aplicación determinada.

Grados de acero más adecuados para el endurecimiento por cementación

No todos los grados de acero responden de la misma manera al cementado. La elección del material base afecta significativamente la profundidad alcanzable de la caja, la tenacidad del núcleo y la estabilidad dimensional después del tratamiento. En aplicaciones de forjado de acero, hacer coincidir el grado correcto con el proceso de cementación es fundamental para el rendimiento de la pieza.

Aceros bajos en carbono para cementación

• AISI 1018 / 1020: La opción más común y económica. Se utiliza para ejes, pasadores y componentes de forja de acero en general donde se necesita resistencia al desgaste de la superficie pero se debe controlar el costo. Fácil de mecanizar antes del tratamiento.
• AISI 8620: Un acero de aleación de níquel-cromo-molibdeno ampliamente utilizado en la producción de engranajes y ejes. Se carburiza de manera confiable y ofrece una excelente tenacidad del núcleo después del tratamiento térmico, lo que lo convierte en un grado de referencia para el forjado de acero de componentes de transmisión.
• AISI 9310: Se utiliza en aplicaciones aeroespaciales y de engranajes de alto rendimiento. Ofrece una excepcional resistencia del núcleo y endurecimiento por cementación debido al alto contenido de níquel.
• AISI 4118 / 4320: Grados de cromo-molibdeno con buena templabilidad. Se utiliza en engranajes de transmisión y piezas forjadas que requieren profundidades de caja más profundas y mejor resistencia a la fatiga.

Aceros aleados para nitruración

• AISI 4140: Un acero al cromo-molibdeno versátil que responde bien a la nitruración con gas. Se utiliza frecuentemente para portaherramientas, husillos y ejes de precisión en equipos de forja de acero.
• AISI 4340: Acero de aleación de níquel-cromo-molibdeno de alta resistencia. Después de la nitruración, logra una excelente combinación de dureza superficial y tenacidad del núcleo. Común en forjas aeroespaciales y componentes estructurales.
• Nitralaleación 135M: Desarrollado específicamente para nitruración, conteniendo aluminio como elemento formador de nitruro. Produce algunos de los valores de dureza superficial más altos que se pueden lograr mediante nitruración, a menudo superando los 1000 HV.

Aceros de medio carbono para endurecimiento por inducción y llama

• AISI 1045: Un acero de medio carbono ampliamente utilizado para el endurecimiento por inducción. Común en ejes, ejes y piezas forjadas de implementos agrícolas. Alcanza 55–60 HRC en la superficie después del tratamiento de inducción.
• AISI 4140 / 4340: También es adecuado para endurecimiento por inducción cuando se templa por altas temperaturas superficiales. Se utiliza en pasadores de manivela, piezas forjadas de portamechas y componentes de ingeniería pesada.
• AISI 1060 / 1080: Su mayor contenido de carbono los hace adecuados para aplicaciones de rieles y resortes donde se practica el endurecimiento por llama en superficies de contacto de alto desgaste.

Cómo interactúa el endurecimiento de casos con el Forja de acero Proceso

En la fabricación industrial, el endurecimiento por cementación es casi siempre una operación posterior a la forja. La forja de acero, ya sea con matriz abierta, matriz cerrada (matriz de impresión) o forja por rodillo, refina la estructura del grano del acero y alinea el flujo de grano con la geometría de la pieza. Este refinamiento del grano mejora las propiedades mecánicas del acero antes de aplicar cualquier tratamiento térmico.

Después de forjar el acero, las piezas generalmente se normalizan o recocen para aliviar las tensiones de forjado y luego se mecanizan en desbaste hasta alcanzar las dimensiones casi finales. En esta etapa se aplica el endurecimiento del caso. La secuencia importa: si una pieza se mecaniza en acabado antes del cementado, el proceso de endurecimiento puede causar cambios dimensionales menores (distorsión) que empujan a la pieza fuera de la tolerancia. La mayoría de los fabricantes dejan el rectificado o el mecanizado de acabado como el paso final después del endurecimiento.

En la cementación de piezas forjadas, la estructura de grano fino producida durante la forja del acero ayuda a limitar la variabilidad de la difusión del carbono y respalda una profundidad de caja más uniforme en geometrías complejas. Las piezas forjadas con estructura de grano apretado también muestran una mejor resistencia a la fatiga en la zona de transición entre la caja y el núcleo, que es donde las grietas por fatiga comúnmente se inician bajo cargas cíclicas.

Por ejemplo, los engranajes de transmisión de automóviles producidos mediante forjado de acero con matriz cerrada en acero 8620 se cementan habitualmente hasta una profundidad de caja de 0,8–1,2 mm , templado, revenido y luego acabado molido. Esta combinación de forjado y cementación produce componentes capaces de soportar tensiones de contacto que exceden 1500MPa durante millones de ciclos de carga: rendimiento que ningún proceso por sí solo podría lograr.

Controlar la profundidad del caso y la consistencia de la dureza

Uno de los problemas más comunes en el cementado es la profundidad inconsistente del caso. Esto puede causar fatiga superficial prematura, desconchado o agrietamiento en servicio. Varias variables gobiernan la consistencia en la profundidad de los casos, y controlarlas es lo que separa el tratamiento térmico de calidad de las malas prácticas.

Uniformidad de temperatura en el horno

Los gradientes de temperatura dentro de un horno se traducen directamente en una variación de la profundidad de la caja en un lote. Un lote de engranajes procesados en un horno con un ±15°C de variación de temperatura Verá diferencias en la profundidad de la caja del 10 al 15 % en toda la carga. Los hornos de cementación de gas industriales generalmente se especifican para mantener ±5°C de uniformidad en toda la zona de trabajo. La calibración de termopares y la calificación del horno (según estándares como AMS 2750 o CQI-9) son una práctica estándar en las instalaciones de tratamiento térmico con control de calidad.

Control del potencial de carbono en la carburación de gas

En la cementación con gas, el potencial de carbono de la atmósfera del horno debe regularse cuidadosamente. Un potencial de carbono demasiado alto provoca la formación de redes de carburo en la superficie: carburos de hierro frágiles en forma de placas en los límites de los granos que reducen significativamente la vida a la fatiga. Un potencial de carbono demasiado bajo da como resultado una superficie insuficiente de carbono y una carcasa inadecuadamente dura. La mayoría de los sistemas de hornos utilizan sondas de oxígeno (sondas con cuñas o sondas lambda) para monitorear y ajustar continuamente el potencial de carbono, apuntando 0,8 %–1,0 % de carbono superficial para la mayoría de aplicaciones de engranajes y ejes.

Severidad del enfriamiento y diseño de accesorios

El enfriamiento no uniforme es otra causa importante de distorsión y dureza inconsistente. Las piezas que ingresan al enfriamiento en diferentes orientaciones, o donde el medio de enfriamiento fluye de manera desigual alrededor de la pieza, se enfriarán a diferentes velocidades y producirán diferentes microestructuras en diferentes zonas. Los accesorios diseñados correctamente sujetan las piezas de forma segura durante el enfriamiento y permiten un acceso constante del medio de enfriamiento a todas las superficies. La temperatura del aceite durante el enfriamiento generalmente se mantiene a 40°C–80°C (100°F–175°F) Para la mayoría de las aplicaciones de forjado de acero: el aceite frío se enfría con demasiada dureza, el aceite caliente se enfría demasiado lentamente.

Inspección posterior al tratamiento

La verificación de los resultados del endurecimiento se realiza mediante pruebas destructivas y no destructivas. Las pruebas destructivas implican cortar una sección transversal de un cupón de muestra procesado con el lote de producción y luego medir la dureza a profundidades incrementales utilizando un probador de microdureza Vickers para generar un perfil de dureza. La profundidad efectiva de la caja se define como la profundidad a la que la dureza cae a 550 HV (aproximadamente 52 HRC) según ISO 2639. Los métodos no destructivos incluyen análisis de ruido magnético de Barkhausen y pruebas de corrientes parásitas, que pueden detectar anomalías en la profundidad de la carcasa y la dureza de la superficie sin cortar la pieza.

Errores comunes en el endurecimiento de cajas y cómo evitarlos

La mayoría de las fallas en el endurecimiento de casos en el campo se remontan a una pequeña cantidad de errores evitables. Reconocer estos errores de antemano (ya sea trabajando en un taller de producción o en una pequeña forja) evita costosos retrabajos y rechazos de piezas.

• Material base incorrecto: Intentar carburizar acero con alto contenido de carbono aporta pocos beneficios y puede producir redes de carburo quebradizas. Confirme siempre el contenido de carbono del acero base antes de seleccionar un método de cementación.
• Saltarse el temperamento: El acero templado sin revenir está sometido a enormes tensiones internas. Las piezas pueden agrietarse horas después del enfriamiento si no se templan rápidamente. Templar siempre unas pocas horas después del enfriamiento, incluso si es solo un remojo de 1 hora a 160°C.
• Calentamiento desigual antes del enfriamiento: Una pieza que no se encuentra a una temperatura de austenitización uniforme cuando se enfría tendrá una microestructura no uniforme. Asegúrese de que el tiempo de remojo sea adecuado a la temperatura de procesamiento antes del enfriamiento. Es posible que las secciones delgadas solo necesiten entre 15 y 20 minutos de remojo; las piezas forjadas gruesas pueden requerir una hora o más.
• Contaminación superficial: El aceite, la grasa o la oxidación en la superficie de la pieza antes de la carburación crean zonas muertas donde el carbono no puede difundirse. Las piezas deben desengrasarse y pulirse ligeramente con chorro de arena o limpiarse antes de procesarlas.
• Estuche de tamaño insuficiente para la aplicación: Una carcasa delgada (0,2 mm) en un engranaje muy cargado se romperá bajo tensión de contacto, exponiendo el núcleo blando y provocando un rápido desgaste o picaduras. Haga coincidir la especificación de profundidad de la caja con la presión de contacto y la carga que el componente verá en servicio.
• Sobrecarburación: El tiempo excesivo o el potencial de carbono producen una capa blanca gruesa y quebradiza de austenita y carburos retenidos en la superficie. Esta capa puede desprenderse, reduciendo drásticamente la resistencia a la fatiga en lugar de mejorarla.

Aplicaciones donde los componentes de forja de acero cementado son estándar

El endurecimiento de casos no es un tratamiento especializado. Está integrado en los procesos de producción estándar de muchas industrias que dependen de la forja de acero para componentes estructurales y mecánicos.

• Transmisiones y diferenciales automotrices: Las coronas, piñones y engranajes planetarios de las transmisiones automáticas están forjados en acero 8620 o 4320 y cementados hasta una profundidad de caja de 0,9 a 1,4 mm. La combinación de dureza de la superficie y dureza del núcleo soporta la tensión de contacto repetida y la carga de impacto de las transmisiones de vehículos a lo largo de cientos de miles de kilómetros.
• Forjas estructurales aeroespaciales: Los componentes del tren de aterrizaje, los ejes de los actuadores y los muñones de los cojinetes de los aviones suelen estar fabricados con acero 4340, nitrurado o carburizado para proporcionar resistencia al desgaste y al mismo tiempo mantener la alta resistencia y dureza requeridas por las especificaciones aeroespaciales como la AMS 6415.
• Equipos de minería y construcción: Los pasadores de cadena, los casquillos, los dientes del cucharón y los pasadores de la pluma de la excavadora están forjados con aceros aleados y endurecidos para resistir el desgaste abrasivo causado por el contacto con la roca y el suelo. En estas aplicaciones son comunes profundidades de caja de 2 a 4 mm para brindar durabilidad en condiciones extremadamente duras.
• Cigüeñales y árboles de levas: Los cigüeñales de automóviles, a menudo forjados con aceros 1045 o microaleados, se endurecen por inducción en las superficies del muñón para lograr una dureza superficial localizada mientras que el resto del eje conserva su dureza. La dureza del muñón de 55 a 60 HRC prolonga significativamente la vida útil del rodamiento en comparación con las superficies no tratadas.
• Herramientas manuales y herramientas de corte: Los cinceles, punzones y troqueles fabricados con acero 1020 se pueden carburizar en casa para producir un filo duro. Esta es una de las aplicaciones más antiguas del endurecimiento por cementación y sigue siendo relevante para los herreros y fabricantes de herramientas que trabajan fuera de entornos industriales.