Contrariamente a una idea errónea común, el cementado en sí mismo no endurece directamente el acero. Es un paso crítico de preparación superficial que infunde carbono en el acero bajo en carbono, haciendo que esa superficie sea capaz de ser endurecida. El endurecimiento real se logra mediante un proceso de enfriamiento rápido posterior conocido como temple.
El cementado no es un proceso de endurecimiento, sino un proceso de enriquecimiento de carbono. Permite la creación de un componente con dos propiedades de material distintas: una "capa" exterior extremadamente dura y resistente al desgaste, y un "núcleo" interior blando, resistente y dúctil.
El papel del carbono en el endurecimiento del acero
Para comprender el cementado, primero debe entender el papel fundamental del carbono en el acero. La capacidad del acero para endurecerse significativamente depende casi por completo de su contenido de carbono.
Por qué el acero bajo en carbono resiste el endurecimiento
Los aceros con bajo contenido de carbono (típicamente por debajo del 0.25%) son blandos, dúctiles y fáciles de formar. Sin embargo, carecen de suficiente carbono para formar la estructura cristalina dura, la martensita, que es la principal fuente de dureza en el acero.
Cuando el acero bajo en carbono se calienta y se templa, se produce muy poco endurecimiento porque los ingredientes necesarios simplemente no están presentes.
Cementado: El paso de infusión de carbono
El cementado resuelve este problema añadiendo carbono a la superficie de una pieza terminada o semiacabada.
El proceso implica calentar un componente de acero bajo en carbono en un ambiente controlado y rico en carbono. A altas temperaturas, los átomos de carbono del ambiente se difunden en la superficie del acero, creando una capa exterior rica en carbono.
La creación de una "Capa"
Este proceso de difusión crea un gradiente distinto en el material. La superficie exterior, o "capa", se vuelve rica en carbono, mientras que el "núcleo" interior permanece bajo en carbono. La profundidad de esta capa se controla con precisión mediante la temperatura y la duración del tratamiento.
El proceso completo de endurecimiento superficial
El cementado es solo el primer paso en un proceso de tratamiento térmico de varias etapas diseñado para lograr una superficie dura y un núcleo resistente.
Paso 1: Cementado (Austenización)
El componente se calienta a una temperatura alta (típicamente 1550-1750 °F o 840-950 °C) en una atmósfera que contiene gas monóxido de carbono, o a veces se empaca en un compuesto sólido rico en carbono. Esto permite que el carbono se difunda en la superficie.
Paso 2: Temple (El paso de endurecimiento)
Inmediatamente después del cementado, el componente caliente se enfría rápidamente sumergiéndolo en un líquido como aceite, agua o salmuera. Este temple es el verdadero paso de endurecimiento.
El enfriamiento rápido transforma la capa rica en carbono en martensita dura, mientras que el núcleo bajo en carbono se transforma en una microestructura mucho más blanda y dúctil.
Paso 3: Revenido (El paso de tenacificación)
Después del temple, la capa martensítica recién formada es extremadamente dura pero también muy frágil.
El revenido implica recalentar la pieza a una temperatura mucho más baja (por ejemplo, 300-400 °F o 150-200 °C). Este proceso alivia las tensiones internas y reduce la fragilidad de la capa con solo una pequeña pérdida de dureza, lo que resulta en un componente más duradero y confiable.
Comprensión de las compensaciones y limitaciones
Aunque es extremadamente efectivo, el endurecimiento superficial mediante cementado es un proceso complejo con consideraciones importantes.
La selección del material es crucial
Este proceso está diseñado exclusivamente para aceros bajos en carbono (como 1018, 8620 o 4320). Intentar cementar un acero medio o alto en carbono es innecesario y puede provocar una fragilidad extrema en toda la pieza.
Control dimensional y distorsión
Los intensos ciclos de calentamiento y temple inherentes al proceso pueden hacer que las piezas se deformen, encojan o crezcan. Estos cambios dimensionales a menudo requieren sobredimensionar la pieza antes del tratamiento y rectificarla a las dimensiones finales después, lo que añade coste y complejidad.
Control de la profundidad de la capa
La profundidad de la capa endurecida es un parámetro de diseño crítico. Una capa demasiado superficial se desgastará rápidamente, mientras que una capa demasiado profunda puede reducir la tenacidad del núcleo y hacer que la pieza sea susceptible a agrietarse bajo cargas de impacto.
Tomar la decisión correcta para su aplicación
La decisión de utilizar el cementado está impulsada por las demandas de rendimiento específicas del componente, que requieren una combinación de propiedades que un material único y uniforme no puede proporcionar.
- Si su enfoque principal es la resistencia extrema al desgaste superficial: El cementado es una opción ideal para crear una capa exterior dura para combatir la abrasión, lo que lo hace perfecto para componentes como engranajes, rodamientos y árboles de levas.
- Si su enfoque principal es la tenacidad al impacto y la vida a la fatiga: La combinación de un núcleo resistente y amortiguador de impactos y una capa dura y resistente a la fatiga hace que las piezas cementadas sean excelentes para aplicaciones que experimentan tanto desgaste superficial como cargas de choque significativas.
- Si su componente está hecho de un acero de carbono medio o alto: El cementado es el proceso incorrecto. Otros métodos de endurecimiento superficial como el calentamiento por inducción o por llama, que no añaden carbono, son mucho más apropiados.
Comprender que el cementado permite el endurecimiento, en lugar de causarlo, es la clave para diseñar eficazmente componentes de acero duraderos y de alto rendimiento.
Tabla de resumen:
| Paso del proceso | Propósito | Resultado clave |
|---|---|---|
| Cementado | Infunde carbono en la superficie del acero | Crea una "capa" rica en carbono capaz de endurecerse |
| Temple | Enfría rápidamente el acero calentado | Transforma la capa rica en carbono en martensita dura |
| Revenido | Recalienta a una temperatura más baja | Reduce la fragilidad, aumenta la tenacidad y la durabilidad |
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