La carburación es un proceso de endurecimiento superficial a alta temperatura para producir componentes con un exterior duro y resistente al desgaste y un núcleo robusto y amortiguador. La carburación es el tratamiento térmico estándar para componentes de alta resistencia en las industrias automotriz y aeroespacial, incluyendo engranajes de transmisión, ejes de transmisión y cojinetes de alta carga.
¿Qué es la carburación?
La carburación es un proceso de tratamiento térmico químico en el que una pieza se calienta y se mantiene en un medio carburante para permitir que los átomos de carbono penetren en su superficie. Este es un proceso de tratamiento térmico común para materiales metálicos, que permite que la superficie carburizada de la pieza alcance una alta dureza y una mayor resistencia al desgaste. El proceso de carburación se utiliza ampliamente en piezas mecánicas de aeronaves, automóviles y tractores, como engranajes, ejes y árboles de levas.
Según los diferentes medios que contienen carbono, la carburación se puede clasificar en carburación de gas, carburación de sólidos y carburación de líquidos.
La carburación gaseosa es un proceso en el que la pieza se coloca en un horno de carburación sellado donde se introduce un carburante gaseoso (metano, etano, etc.) o líquido (queroseno, benceno, alcohol, acetona, etc.). Estos se descomponen a altas temperaturas en átomos de carbono activo que penetran la superficie para obtener una capa superficial rica en carbono.
La carburación sólida es el método más antiguo, que implica colocar la pieza de trabajo y un carburador sólido (carbón más un activador) en una caja de carburación sellada, que luego se calienta en un horno a la temperatura de carburación y se mantiene durante un tiempo determinado para permitir que los átomos de carbono activo penetren en la superficie.
La carburación líquida utiliza medios líquidos para el proceso. Los medios líquidos más comunes incluyen carburo de silicio y agentes carburantes "603".
Carburación de gas
La carburación por gas es actualmente el método más utilizado y de mayor crecimiento. Permite obtener una atmósfera controlada y una calidad estable del producto mediante el ajuste racional de los parámetros del proceso.
La carburación con gas es predominante hoy en día debido a su idoneidad para la producción en masa, la simplificación de las operaciones y la facilidad de control de calidad. Este método utiliza principalmente gas natural, propano o butano como agente principal. Ofrece ventajas como la concentración de carbono superficial ajustable, la fácil automatización del flujo de gas y el control de temperatura, y una gestión sencilla. Sus desventajas incluyen el alto coste de los equipos y los altos costos para lotes pequeños, lo que requiere conocimientos operativos especializados.
Crédito de la imagen: ScienceDirect
Existen dos métodos de carburación por gas: el método de goteo y el método endotérmico de gas. En el método de goteo, la pieza se coloca en un horno de cuba sellada con un medio de carburación activo y se calienta hasta la región de austenita monofásica a 900-950 °C (comúnmente 930 °C). Tras un tiempo de espera suficiente, los átomos de carbono activo descompuestos del medio penetran en la superficie del acero, lo que resulta en un alto contenido de carbono en la superficie, mientras que el núcleo conserva su composición original. La atmósfera de carburación en el horno se forma principalmente por la descomposición de líquidos orgánicos como queroseno, acetona, tolueno y formaldehído a altas temperaturas, y está compuesta principalmente de CO, H₂ y CH₄, con pequeñas cantidades de CO₂ y H₂O.
El proceso de carburación gaseosa también consta de tres etapas básicas: descomposición, absorción y difusión. En primer lugar, el medio carburante se descompone a altas temperaturas para producir átomos de carbono activo.
CH₄ ⇌ 2H₂ + [C]
2CO ⇌ CO₂ + [C]
CO + H₂ ⇌ H₂O + [C]
Posteriormente, los átomos de carbono activo son absorbidos por la superficie del acero, se disuelven en austenita de alta temperatura y se difunden hacia el interior para formar una capa carburizada de cierta profundidad. La profundidad de la capa depende principalmente del tiempo de retención. A temperatura constante, tiempos de retención más prolongados resultan en capas más gruesas. En producción, se suele utilizar el método de "comprobación de muestras in situ" para determinar el tiempo exacto de descarga.
Al utilizar un horno de pozo a 930 °C, la relación entre el tiempo de carburación y la profundidad:
| Tiempo de carburación/h | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| Profundidad de la capa carburizada/mm | 0.4-0.6mm | 0.6-0.8mm | 0.8-1.2mm | 1-1.4mm | 1.2-1.6mm |
Carburación al vacío
La carburación al vacío consiste en colocar la pieza de trabajo en un horno de vacío, evacuándola y calentándola para purificar su interior. Una vez alcanzada la temperatura de carburación, se introduce un hidrocarburo (como el propano). Transcurrido un tiempo, se desconecta el carburador y se vuelve a evacuar el horno para su difusión.
La carburación al vacío es un tipo de carburación con gas que se realiza al vacío, generalmente a temperaturas elevadas (1030–1050 °C). El vacío tiene un efecto limpiador en la superficie, facilitando la adsorción de átomos de carbono y reduciendo significativamente la duración del ciclo a aproximadamente un tercio de la requerida para la carburación con gas estándar. Además, los hornos de vacío no incrementan los costes de mantenimiento a altas temperaturas.
Además, la carburación al vacío no requiere gas portador ni control del potencial de carbono. La concentración de carbono depende de la relación entre el tiempo de impulso y el tiempo de difusión, lo que elimina la necesidad de controladores de potencial de carbono y generadores de gas. Este proceso ofrece importantes ventajas en la calidad del producto y el ahorro de energía.
Carburación por plasma
La carburación por plasma utiliza bombardeo de plasma para facilitar la carburación por gas. Al igual que la carburación al vacío, no requiere generadores de gas ni controladores de potencial de carbono. La concentración de la capa se puede controlar ajustando la densidad de la corriente de descarga. Gracias al refuerzo del proceso por impacto de plasma, la velocidad de carburación es mucho más rápida que la de la carburación general, incluso comparable a la de la carburación al vacío.
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Aceros para carburación
Los aceros utilizados para la carburación suelen ser aceros bajos en carbono y aceros aleados bajos en carbono, con un requisito de fracción másica de carbono del 0.1 % al 0.25 % para garantizar la resistencia y tenacidad adecuadas en el núcleo. Se añaden elementos de aleación como Cr, Ni, Mn, Ti y Mo para mejorar la templabilidad, refinar los granos, evitar el sobrecalentamiento y aumentar la tenacidad del núcleo.
Grados y aplicaciones comunes:
Aceros de baja resistencia (S355, 1022, 5120, etc.): se utilizan para piezas resistentes al desgaste con baja carga, como placas de fricción, bujes y calibres.
Aceros de resistencia media (20CrMn, 20CrMnTi, 20CrMnMo, etc.): se utilizan para piezas resistentes al desgaste y a la fatiga con carga media, como ejes, engranajes y pasadores.
Aceros de alta resistencia (12Cr2Ni4A, 18Cr2Ni4WA, 20Cr2Ni4, 30CrMnTi, etc.): se utilizan para piezas de alta resistencia y carga pesada, como ejes de motores de alta potencia y engranajes de servicio pesado.
Tratamiento térmico después de la carburación
Después de la carburación, las piezas de trabajo deben someterse a un tratamiento térmico para mejorar la resistencia de la superficie, la dureza y la resistencia al desgaste, al tiempo que se refinan los granos y se mejora la tenacidad del núcleo.
Enfriamiento directo
El temple directo implica enfriar la pieza en el horno (o preenfriarla) a 760–860 °C tras la carburación y el posterior temple. El preenfriamiento reduce la tensión interna y la deformación, y permite que la austenita con alto contenido de carbono precipite carburos, reduciendo así la austenita retenida. Este método aumenta la productividad y reduce los costes, pero solo es adecuado para aceros de grano fino y no para casos con concentraciones muy altas de carbono superficial.
Enfriamiento único
Después del enfriamiento lento posterior a la carburación, la pieza de trabajo se recalienta por encima de la temperatura crítica y apagadoSi los requisitos de resistencia del núcleo son altos, la temperatura debe ser ligeramente superior a A3. Para piezas con baja carga pero con altos requisitos de superficie, la temperatura se establece entre 30 y 50 °C por encima de Ac1.
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Doble enfriamiento
El doble temple se utiliza para piezas con altos requisitos mecánicos o fabricadas con aceros de grano grueso. El primer temple (por encima de A3 + 30-50 °C) mejora la estructura del núcleo. El segundo temple (por encima de Ac1 + 30-50 °C) refina la estructura superficial para obtener martensita fina y carburos secundarios granulares.
Las piezas cementadas se revenen a 150-250 °C tras el temple. Para aceros no aleados, la temperatura habitual es de 150-180 °C; para aceros aleados, de 160-200 °C. Tras el temple y el revenido a baja temperatura, la dureza superficial puede alcanzar los 58-64 HRC con una excelente resistencia al desgaste, manteniendo la tenacidad del núcleo. La tensión de compresión superficial también mejora la resistencia a la fatiga.
Rendimiento de las piezas carburadas
La microestructura superficial tras el temple se compone principalmente de martensita de alta dureza, con austenita retenida y pequeñas cantidades de carburos. El núcleo es martensita tenaz con bajo contenido de carbono (debe evitarse la ferrita). La profundidad típica de las capas es de 0.8 a 1.2 mm, llegando a superar los 2 mm en el caso de la carburación profunda. La dureza superficial alcanza los 58-63 HRC y la del núcleo, los 30-42 HRC. La carburación aumenta eficazmente la resistencia, la tenacidad al impacto y la resistencia al desgaste, prolongando así la vida útil de la pieza.
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