Cementación y endurecimiento superficial: los fundamentos

La idea

Algunas piezas necesitan dos propiedades contradictorias: una superficie que resista el desgaste y la fatiga por contacto, y un núcleo que absorba los impactos sin agrietarse. La cementación ofrece ambas a partir de una sola pieza de acero de bajo carbono. La pieza se mantiene a unos 880–950 °C en una atmósfera rica en carbono; el carbono se difunde hacia la superficie, y un temple posterior endurece solo esa capa enriquecida — la capa — mientras el núcleo de bajo carbono permanece comparativamente blando y tenaz.

Profundidad de capa

La profundidad de capa se especifica como la profundidad a la que la dureza cae hasta un nivel definido — habitualmente 550 HV en la práctica europea (CHD, profundidad de endurecimiento de la capa). Importan dos profundidades:

• Profundidad efectiva de capa (hasta 550 HV): típicamente de unos 0.3–2.5 mm en engranajes y ejes, ajustada a la tensión de contacto y al módulo del engranaje.
• Profundidad total de capa: toda la zona de difusión, siempre más profunda que la profundidad efectiva.

Las capas más profundas necesitan un tiempo de horno desproporcionadamente mayor, porque la profundidad de difusión crece con la raíz cuadrada del tiempo — duplicar la profundidad lleva aproximadamente cuatro veces más tiempo.

Potencial de carbono

La atmósfera del horno se controla a un potencial de carbono — el nivel de carbono superficial que la atmósfera producirá en el hierro puro a esa temperatura. Normalmente se trabaja algo por debajo o cerca de la región eutectoide a saturación, a menudo alrededor de 0.8–1.0% C en la superficie en la etapa de enriquecimiento. Un potencial demasiado alto forma hollín, redes de carburos y un exceso de austenita retenida; uno demasiado bajo da una capa poco profunda y blanda. Los ciclos de producción utilizan a menudo un patrón de enriquecimiento–difusión (boost–diffuse): potencial alto para introducir el carbono rápidamente, y después una etapa de potencial más bajo para fijar el carbono superficial final y el gradiente.

Núcleo frente a capa tras el temple

Tras la cementación, la pieza se templa (directamente, o tras un recalentamiento para afinar el grano) y se reviene a baja temperatura, aproximadamente 150–200 °C. La capa de alto carbono se transforma en martensita dura, típicamente alrededor de 58–62 HRC en la superficie. El núcleo — todavía con solo aproximadamente 0.15–0.25% de carbono — se endurece solo hasta donde permite su templabilidad, permaneciendo mucho más blando y proporcionando la tenacidad en torno a la cual está diseñada la pieza.

Aceros diseñados para la cementación

Los aceros de cementación son de bajo carbono por diseño, aleados para la resistencia y la templabilidad del núcleo:

• 8620 (AISI): el acero de engranajes de uso general en Norteamérica, núcleo Ni-Cr-Mo.
• 20CrMnTi (GB): el acero de engranajes estándar chino; el titanio fija el grano durante los largos ciclos de cementación.
• 16MnCr5 (EN 1.7131): el caballo de batalla europeo para engranajes pequeños y medianos.
• Las variantes de mayor exigencia añaden níquel (p. ej. 18CrNiMo7-6) cuando la resistencia del núcleo en secciones grandes es crítica.

Especificar una pieza cementada significa especificar juntos la profundidad de capa, la dureza superficial y la dureza del núcleo — cualquiera de ellos por sí solo es un requisito incompleto.

Variantes de gas, en caja y de baja presión

La cementación tradicional en caja (pack) con compuesto sólido de carbono es hoy en gran parte histórica. La producción moderna utiliza la cementación gaseosa en hornos de atmósfera, donde el potencial de carbono se mide y se controla de forma continua, o la cementación a baja presión (en vacío), donde pulsos de gas hidrocarburo en un horno de vacío proporcionan capas muy uniformes en geometrías complejas de engranajes sin oxidación superficial — seguida normalmente de un temple con gas a alta presión. La metalurgia que especifica el diseñador es la misma en las tres; lo que cambia es la uniformidad, la limpieza, la economía del ciclo y el comportamiento frente a la deformación que debe absorber el acabado de los engranajes.