PONTIFICIA UNIVERSID UNIVERSIDAD AD CATÒLICA DE VALPARAISO F A C U L T A D D E I N G E N I E R I A ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA
Curso Tratamientos Térmicos ICM 445
Cementación
Profesor Alumno
: :
Fecha de de di disertación:
Bernardo Mullers F. Fernando Jiménez M. 17 de de Ju Junio 20 2009
Cementación Es un tratamiento termoquímico en el que se aporta carbono a la superficie de una pieza de acero mediante difusión, modificando su composición superficial.
La pieza se calienta hasta la temperatura de austenización (850-1000°C) mientras que esta en contacto con un material rico en carbono (mayor %C que la pieza) y luego se mantiene por un tiempo determinado según requerimientos. El carbono penetra a la pieza y luego se moviliza por difusión. Siempre se desarrolla un tratamiento térmico posterior para mejorar sus propiedades, ya que el acero puede quedar con estructura gruesa (frágil).
Objetivo de la Cementación
El principal objetivo de la Cementación es proporcionar a la pieza mecánica superficies duras, resistentes al desgaste y a la penetración, a su vez contar con un núcleo central muy tenaz y resistente a la fatiga, para poder soportar los esfuerzos de tracción a los que serán sometidas en sus labores, todo esto es posible, a través de la difusión de carbono superficial, en cierta circunstancias específicas. Se pueden emplear cementantes sólidos, líquidos y gaseosos, según requerimientos de la pieza a cementar. Se emplean aceros aleados y sin aleación, de bajo contenido de carbono, generalmente de 0,08 a 0,25% de C y excepcionalmente algunas veces se cementan también aceros hasta 0,4% de C. Por ejemplo, las piezas que comúnmente deben ser sometidas a este proceso son engranajes, piñones, ejes, levas, etc. Elementos que comúnmente están sometidos a grandes variaciones de esfuerzos y también sometidas a mucho roce mecánico.
Procesos de Cementación
Entre los procesos de cementación encontramos tres tipos, los cuales dependerán exclusivamente de las dimensiones de las piezas a cementar, las características y propiedades físicas que se deseen, y los costos que implica la cementación. Estos tres tipos son: Cementación sólida o en caja. Cementación en baños de sales. Cementación en gas.
Cementación sólida o en caja
Se utilizan diversas materias para suministrar el carbono que ha de absorber el acero durante la cementación. Las más empleadas suelen ser el carbón vegetal, el negro animal, huesos calcinados, cuero, coke, etc. Mezclados con carbonatos de bario, calcio y/o sodio (activadores). Este proceso se lleva a cabo cubriendo la pieza con un polvo de cementar (toda la superficie), y luego esta se introduce dentro de una caja de acero resistente a altas temperaturas se tapa y es sellada herméticamente con barro refractario y luego se introduce en el horno para que las reacciones sucedan. La cementación en caja es aplicada a piezas de gran tamaño, es recomendada para aquellas piezas que posteriormente no serán templadas inmediatamente, también en este tipo de cementación se adquieren piezas con un gran espesor de capa dura (superiores a 1,5 mm). Es importante que el carbón este bien seco, porque pequeñas trazas de humedad, pueden dar lugar a descarburaciones locales y luego a puntos blandos en las piezas después del último temple. La transferencia del carbono al acero, se da por medio de los gases que se desprenden al calentarse la mezclas cementantes a altas temperaturas, siendo en estos procesos el oxido de carbono el principal agente carburante. El éxito de la cementación, depende de gran parte de la amplitud del medio carburante para suministrar y rodear la superficie del acero con carbono, en un estado que se pueda llamar activo, de tal manera que la absorción por el acero se efectúe rápidamente. El carbono naciente que se forma en el interior de las cajas de cementación al descomponer el oxido de carbono, se encuentra en un estado muy favorable para que se produzca la cementación. Reacciones químicas involucradas. El proceso de cementación por carbón vegetal, coke, etc. El carbón a elevada temperatura, en contacto con el oxigeno del aire que hay siempre en el interior de las cajas, da oxido de carbono (CO) según la siguiente reacción. 2C + O2
=
2CO
Luego el oxido de carbono formado se descompone a elevada temperatura en carbono naciente y dióxido de carbono. 2CO
= C + CO 2
Inconvenientes: larga duración de operación, elevado consumo de combustible, irregularidades de las temperaturas en las grandes cajas, dificultad para templar directamente las piezas desde la caja. Sin embargo es un método barato y conveniente para cementaciones pequeñas, ya que no requiere equipos muy sofisticados para su realización.
Cementación líquida o baño de sales
Se utilizan baños preparados a base de cianuros y agentes catalizadores para la obtención de la capa rica en carbono. La profundidad que se consigue oscila entre 0,2 y 3mm, aunque en la periferia hay un pequeño porcentaje de nitrógeno, puede considerarse que el endurecimiento es debido casi exclusivamente al carbono, pero en estricto rigor es un tratamiento carbonitrurante. Es utilizado para piezas sencillas y de poca responsabilidad, alta velocidad de penetración, mayor limpieza por la ausencia de polvo. Las sales tienen la desventaja de ser muy venenosas, y aunque los humos que desprende no lo son, causan molestias e irritan las vías respiratorias. Reacciones químicas involucradas. Cianuro de sodio que al oxidarse produce: 2 NaCN
+ O2 ⇒
4 NaCNO 2CO
2 NaCNO
⇒ Na 2 CO 3 +
2 NaCN
+ CO +
2 N
⇒ C + CO 2
Sal activante, (cloruro de bario), hace más efectivo el tratamiento. BaCl 2
+
2 NaCN
Ba (CN ) 2
⇒
2 NaCl
⇒ C + BaCN 2
+ Ba
(CN ) 2
Cementación en Gases
Es el método mas utilizado en la actualidad, los mejores resultados se obtienen empleando hidrocarburos diluidos en otros gases, constituidos principalmente por oxido de carbono, nitrógeno, hidrogeno (hidrocarburos puros con aire, gas natural mas aire, gas de alumbrado mas hidrocarburos, etc). Las atmósferas carburantes se preparan generalmente empleando un gas portador o de relleno, y un gas o vapor carburante. Como gas de relleno se suele utilizar un gas combustible, casi totalmente quemado, este tipo de gas suele recibir el nombre de gas endotérmico. Como gas carburante activo se suele utilizar metano, butano, propano. Existen ciertas ventajas de cementar con gas con respecto de las otras dos formas: con respecto a la de sales fundidas, el gas es mas rápido y se puede controlar con mayor facilidad el carbono superficial, con respecto a la de polvos, aquí el gas cementante se prepara fuera del horno y no como en el interior de las cajas que se debe llegar a cierta temperatura, para que recién reaccionen los polvos y se forme el gas cementante. La proporción de gases de la mezcla es un factor muy importante, por lo que todo horno de Cementación gaseosa requiere un dispositivo para controlar los gases que están adentro (costoso). Se obtienen de buena precisión dado que la mezcla es controlada fácilmente. Puede cementar piezas complejas, La profundidad que se consigue oscila entre 0,2 y 1,5mm. Este proceso es recomendado cuando hay que cementar grandes cantidades de piezas. Las instalaciones son costosas y complicadas, pero la Cementación es sencilla y rápida. Reacciones químicas involucradas. Pr opano
C 3 H 8
=
Bu
tan
o
2C 4 H 10
Me
tan
o
CH 4
2CH 4
+
+9
=5
Fe
+3
Fe
=
C CH 4
+3
Fe 3C
Fe 3C + 2CO
La cantidad y distribución del carbono absorbido
Existen variables que es necesario controlar para mantener una buena carburación y evitar la descarburación superficial por alguna condición inadecuada, también es necesario controlar la cantidad de carbono que necesitamos sobre la superficie, ya que un exceso de éste, fragilizará la superficie y se puede producir el descascaramiento de la capa cementada, debido a la formación de cementita en los límites de grano de la austenita. Las variables a controlar son:
1.- Temperatura de carburación 2.- Tiempo de carburación 3.- Comportamiento ante la carburación del acero 4.- Medio carburante Para piezas pequeñas se puede controlar la carburación con los factores 1 y 2 sin grandes problemas. El comportamiento ante la carburación del acero está determinado por el coeficiente de difusión del carbono en él y la situación de las líneas de equilibrio en el diagrama hierro carbono. El comportamiento del medio cementante está influido por el potencial de carbono PC y la actividad de carbono AC. Potencial de carbono del medio cementante PC:
Este índice indica cual es el porcentaje de carbono máximo alcanzable en la superficie de la pieza. Pero no indica con que rapidez se alcanza. Para saber cuanto es el PC de una atmósfera, se efectúan cementaciones de pequeñas partículas (virutas) del acero que se cementará posteriormente y después de lograr la saturación de carbono en éstos, se analizan y se obtiene cuanto es el poder de cementación del ambiente a esa temperatura, todo esto mientras se encuentre dentro del campo de saturación de la austenita. Si se encuentra sobre éste, si la atmosfera posee un mayor potencial de carbono (PC) que el % de carbono que se puede disolver en la austenita, la curva de Cementación sufre un disparo hasta el porcentaje de la cementita (6,67 %C) dado que dicha fase aparece, a todo PC mayor al porcentaje de saturación de carbono de la austenita a la temperatura de Cementación se formara cementita. El tipo de acero influye en la máxima solubilidad de la austenita a la temperatura de Cementación. Cuando los aceros son microaleados, la curva se desplaza y los puntos de saturación de la austerita se alcanzan con anterioridad, ejemplo de temperaturas de saturación de la austenita y porcentajes de carbono de un acero al carbono y otro micro aleado; Acero al Carbono: 800 °C = 1,0 %C 850 °C = 1,1 %C 900 °C = 1,2 %C
Acero al carbono con 1,6 %cromo: 800 °C = 0,6 %C 850 °C = 0,8 %C 900 °C = 1,0 %C
De lo anterior se deduce que el PC no es una medida que dependa exclusivamente del medio carburante, sino que también le afecta la composición del acero a carburar.
Actividad de carbono AC :
indica la rapidez con que el medio cementante aporta carbono para la cementación. De ello depende la velocidad de traspaso del carbono naciente hacia la superficie de la pieza. La AC se puede determinar carburando pequeñas partículas (virutas) del acero que se cementará posteriormente y luego de ciertos instantes determinados se analizan las partículas y se generan las curvas de %C con respecto del tiempo en horas, luego estas curvas se comparan con otras curvas de ensayos anteriores del mismo tipo de acero y así se comparan y se conoce si el medio tiene buena actividad de carbono o no.
Curvas que indican si la atmósfera es carburante o descarburante
Hay otro tipo de curvas, que fuera de indicarnos si la atmósfera es carburante o descarburante a cierta temperatura, nos indica el PC en el interior del horno. Solamente para aceros al carbono.
Hay otra reacción que su producto es agua CO + H 2 ⇔ C + H 2O , con esto también se puede conseguir el PC del medio. La manera de conocer el PC de medio, es conociendo a la temperatura a la cual el vapor de agua se condensa, para esto se debe realizar extracciones periódicas para mantener la atmosfera constante, el punto de rocío se mide con un instrumento que mide la temperatura a la que se empaña un espejo en el que incide un chorro de gas
Capa cementada
En la capa cementada se le distinguen tres zonas Zona hipereutectoide :
Esta es la zona de mayor porcentaje de carbono ( 1,2 a 0,9 %C), corresponde a la periferia de la pieza. Encontramos perlita y cementita. Esta zona se debe eliminar con tratamiento de difusión, porque la cementita es una fase frágil que no admite deformaciones, al templar la pieza las deformaciones fisura la superficie (descascaramiento) Zona eutectoide :
esta es la zona mixta, es una zona de transición entre un alto % de C y un bajo % de C. el porcentaje de carbono es cercano al 0,8%. Zona hipoeutectoide :
carbono de la pieza.
esta es la zona del núcleo, su % de C entre 0,8 y el % inicial de
Tratamientos posteriores a la cementación
La estructura que se obtiene luego de una cementación es una estructura de granos grosera y malas propiedades mecánicas, por lo cual es necesario que después de la cementación se debe realizar uno o mas temples para mejorar la estructura interna o superficial de la pieza, también es necesario hacer un revenido para relajar la estructura martensítica y para reducir la austerita residual que queda en ocasiones después del temple.
Tratamientos de temple
Se pueden someter a cuatro temples básicos: 1) Cementación directa. Temple directo desde la temperatura de cementación y revenido final. 2) Cementación simple. Enfriamiento lento, temple a Temp. Ligeramente superior a Ac1 y revenido final. 3) Cementación simple. Enfriamiento lento, temple a Temp. Ligeramente superior a Ac3 y revenido final. 4) Cementación doble. Enfriamiento lento, 1er temple a Temp. Sobre Ac3, 2do temple ligeramente superior a Ac1 y revenido final.
1) Para piezas de poca responsabilidad Deformaciones muy grandes, peligro de fragilidad Buena dureza superficial 2) Exitoso en aceros de alta aleación (núcleo de grano fino) No hay regeneración de granos en el núcleo Menos deformación en el temple Buena dureza superficial 3) Máxima resistencia en el núcleo (afinamiento de grano) Buena tenacidad Periferia de grano grueso y dureza baja por aparición de austenita retenida
4) Buena tenacidad Bajas deformaciones Buena dureza superficial Aceros utilizados Ac. Al carbono (0,1-0,25%C ).
Baja templabilidad. Piezas sencillas, debido a deformaciones de temple. Fácil crecimiento de grano. Resistencia máxima del núcleo 80 Kg 2 mm T.T recomendado temple al agua. Ac. Débilmente aleados. (Suma % de aleantes < 3%),(0,08-0,25%C).
Mayor templabilidad. Menor crecimiento de grano. Kg Resistencia del núcleo 70 − 130 2 mm Pueden ser templadas en agua o en aceite. Ac. De alta aleación. (Suma % de aleantes > 3%),(0,1-0,2%C).
Mayor templabilidad. Piezas de cualquier tamaño. Menor crecimiento de grano. Buena tenacidad y resistencia del núcleo 90 − 150 Kg 2 mm Temple al aceite.
