Industria

Procesos industriales

La carbonitruración es un tipo de tratamiento térmico superficial del acero, englobado dentro de los procesos de cementación gaseosa, en el que se suministra carbono y nitrógeno a la superficie de una pieza de acero para proporcionarle las características de dureza deseada. Concretamente es un tratamiento termoquímico, a medio camino entre la cementación o carburación (adición de carbono) y la nitruración (adición de nitrógeno).

Objetivo

La carbonitruración busca un endurecimiento superficial del acero mediante el enriquecimiento simultáneo con nitrógeno y carbono. Se realiza con aceros de bajo contenido al carbono (tenaces y resistentes a la fatiga) obteniendo así piezas con superficies de una elevada dureza y resistencia al desgaste, pero que a su vez conservan un núcleo tenaz.

Características del proceso

En los procesos de cementación gaseosa se busca elevar el contenido de carbono mediante difusión, introduciendo la pieza a tratar en un ambiente gaseoso rico en carbono. En el caso concreto de la carbonitruración, el endurecimiento se consigue con la adición de amoniaco a la atmósfera gaseosa para que aporte el nitrógeno deseado. En cuanto al agente carburante encargado de aportar carbono, lo más habitual es que se trate de hidrocarburos gaseosos (propano o gas natural) o hidrocarburos líquidos evaporados (terpenos, benceno, alcoholes, glicoles o cetonas).

El proceso de carbonitruración, al igual que el de cementación, va seguido de un temple (y un posterior revenido). Éste proporciona una elevada dureza en la superficie, al ser una zona con un elevado contenido en carbono (el contenido óptimo es de 0,8% C), mientras que conserva la tenacidad del núcleo, que sigue siendo bajo en carbono (entre 0,1 y 0,2% C) y que por tanto no se ve tan afectado por el proceso de temple. Se consiguen así las dos zonas de diferentes características que se deseaban, ya que gracias al proceso previo de carbonitruración se combinan las ventajas del temple, que proporciona dureza pero a la vez fragilidad, con las ventajas de conservar un núcleo dúctil y tenaz.

Las temperaturas a las que se somete el proceso son inferiores a las de la cementación. Se sitúan entre los 750 y los 850 ºC, dependiendo de la composición del acero y de las propiedades de fatiga deseadas. En cuanto a los periodos de tiempo del proceso, estos son más cortos que en el caso de la cementación, ya que se buscan capas más delgadas: entre 0,1 y 0,6mm de espesor, frente a las capas habituales en la cementación que suelen superar el mm. Aun así sigue siendo un proceso largo, en torno a las horas, ya que la velocidad de penetración por difusión esta alrededor de 0,1-0,2mm/hora.

Espesor de la capa tratada

La distribución de carbono absorbido por la pieza depende de cuatro factores: el porcentaje de carbono del acero que se va a tratar, el potencial de carbono del medio gaseoso, la temperatura y el tiempo. Aun así, se puede conseguir una buena estimación el espesor de la capa utilizando la formula de Harris, que fue desarrollada sobre la base de las leyes de la difusión es estado sólido y adaptada para modelizar los fenómenos de cementación gaseosa en función de la temperatura y del tiempo del proceso:

donde:
X: espesor de la capa expresada en mm
T: temperatura del tratamiento en Kelvin
t: tiempo del tratamiento en horas

Ventajas e inconvenientes frente a la cementación

La principales ventajas aportadas por el nitrógeno son:
-Un aumento de la dureza sin la necesidad de realizar capas de tanto espesor con el caso de la cementación. Esto permite también que el tiempo del proceso de carbonitruración sea menor.
-Una disminución de la velocidad critica de enfriamiento en el proceso de temple (velocidad mínima de enfriamiento para que se produzca el paso de austenita a martensita). Esto permite un enfriamiento más lento, y en consecuencia una menor distorsión de la pieza. También permite el uso de aceros con una menor templabilidad, que al ser más baratos hacen que el proceso sea más económico.
-Un aumento de la temperatura de revenido, lo que permite que las piezas trabajen a una temperatura en servicio más elevada.

En cuanto a sus inconvenientes, el nitrógeno estabiliza la austenita dificultando su paso martensita. A causa de ello se necesitarán temperaturas de revenido más altas o tiempos de permanencia mayores para su transformación.

Campos de aplicación

Los campos de aplicación son los mismos que en el caso de la cementación, ya que son procesos muy parecidos que proporcionan piezas con características similares. Básicamente se aplica en piezas que requieran una gran ductilidad y tenacidad (aportadas por el núcleo) a la vez que una gran resistencia al desgaste (aportada por la capa exterior). Algunos ejemplos son piñones, coronas, ejes, levas, guías, chavetas, etc.

La carbonitruración se aplica principalmente para producir una caja sólida y resistente al desgaste. La difusión de carbono y nitrógeno aumenta la templabilidad del carbono simple y los aceros de baja aleación, creando una caja con una dureza superior a la producida por la carburación. El proceso de carbonitruración es particularmente adecuado para la producción masiva de pequeños componentes limpios. Debido a que la carbonitruración requiere una temperatura inferior en relación con la carburación, la distorsión disminuye. La velocidad moderada de enfriamiento reduce el riesgo de fisuras producidas por el temple.

La carbonitruración austenítica se aplica con éxito a los componentes producidos en forma masiva en general, y a aquellos de dimensiones más pequeñas que requieren una gran resistencia al desgaste y en los que los requisitos de profundidad de la caja varían entre 0,1 y 0,75 mm como máximo. Las aplicaciones habituales incluyen:

• engranajes y ejes 
• pistones 
• rodillos y cojinetes 
• palancas de sistemas accionados hidráulica, neumática y mecánicamente.

Principalmente para mejorar la resistencia al desgaste y la fatiga de aceros al carbono simple.

Es posible realizar la carbonitruración de una amplia variedad de aceros, desde los aceros al carbono hasta los aceros dulces (con un contenido de aluminio reducido), los aceros de baja aleación con un porcentaje de carbono máximo del 0,25%, los aceros de decoletaje y los aceros sinterizados.

La carbonitruración (austenítica) es un tratamiento termoquímico que implica la incorporación de carbono y nitrógeno en la superficie del componente, habitualmente en forma simultánea. El proceso se lleva a cabo a temperaturas inferiores, y generalmente durante menos tiempo que la carburación; por lo tanto, los componentes son menos propensos a la distorsión. El nitrógeno difuso tiene un efecto estabilizador en la austenita y disminuye la velocidad crítica de enfriamiento, y como consecuencia la templabilidad del acero.

Se pueden aplicar medios de enfriamiento rápido menos severo, como el aceite, en lugar del enfriamiento rápido al agua necesario para el acero dulce.

La carbonitruración se lleva habitualmente a cabo en un intervalo de temperatura de entre 820 y 900 °C, en una atmósfera gaseosa que añade un porcentaje de carbono de entre el 0,5 y el 0,8% y un porcentaje de nitrógeno situado entre 0,2 y 0,4% (<5 0="" 150="" 200="" a="" aceite.="" acero="" al="" aleaci="" an="" baja="" caja="" carbonitruraci="" carbono="" cementaci="" circunstancias="" completa="" componente.="" componentes="" con="" de="" del="" depende="" dependiendo="" difusi="" dimensiones="" directamente="" el="" en="" enfr="" enfriamiento="" entre="" es="" fragilidad="" generalmente="" gicas.="" la="" las="" lo="" los="" mm="" n.="" n="" no="" o="" obtenida="" p="" para="" permite="" profundidad="" profundidades="" que="" rango="" reducir="" revenido="" rmico="" s="" se="" simple="" sino="" sobre="" superficie="" superior="" t="" tambi="" temperatura="" templabilidad="" tiempo="" transcurrido="" tratamiento="" tribol="" un="" velocidad="" y="">

La cementación es un tratamiento termoquímico que se aplica en piezas de acero. El proceso aporta carbono a la superficie mediante difusión, que se impregna modificando su composición.

Utilidad

La cementación tiene por objeto endurecer la superficie de una pieza sin modificar su núcleo, originando una pieza formada por dos materiales: la del núcleo de acero (con bajo índice de carbono) tenaz y resistente a la fatiga, y la parte de la superficie (de acero con mayor concentración de carbono) 0,2% de carbono. Consiste en recubrir las partes a cementar de una materia rica en carbono, llamada cementante, y someter la pieza durante varias horas a altas temperaturas (típicamente, 900 °C). En estas condiciones, el carbono penetra en la superficie que recubre a razón de 0,1 a 0,2 mm por hora de tratamiento. A la pieza cementada se le da el tratamiento térmico correspondiente, temple y revenido, y cada una de las dos zonas de la pieza, adquirirá las cualidades que corresponden a su porcentaje de carbono.

Aceros de cementación

Son apropiados para cementación los aceros de bajo contenido de carbono. El cromo acelera la velocidad de penetración del carbono. Los aceros al cromo níquel tienen buenas cualidades mecánicas y responden muy bien a este proceso. Una concentración de níquel por encima del 5% retarda el proceso de cementación.^{[cita requerida]}

Según sean los requisitos de dureza y resistencia mecánica existen varios tipos de aceros adecuados para recibir el tratamiento de cementación y posterior tratamiento térmico.

Tipos de aceros para cementación

• Aceros para cementación al carbono: Cementación a 900 °C - 950 °C, primer temple a 880 °C - 910 °C en agua o aceite, segundo temple a 740 °C - 770 °C en agua. Revenido a 200 °C como máximo.^{[cita requerida]}

Aplicaciones: Piezas poco cargadas y de espesor reducido, de poca responsabilidad y escasa tenacidad en el núcleo.

• Aceros para cementación al Cr-Ni de 125 kgf/mm²: Tiene en su composición un 1% de Cr y un 4,15% de Ni. Cementación a 850 °C - 900 °C, primer temple a 900 °C - 830 °C en aceite, segundo temple a 740 °C - 780 °C en aceite. Revenido a 200 °C como máximo.

Aplicaciones: Piezas de gran resistencia en el núcleo y buena tenacidad. Elementos de máquinas y motores. Engranajes, levas, etc.

• Aceros para cementación al Cr-Mo de 95 kgf/mm²: Tiene en su composición un 1,15% de Cr y un 0,20% de Mo. Cementación a 890 °C - 940 °C, primer temple a 870 °C - 900 °C en aceite, segundo temple a 790 °C - 820 °C en aceite. Revenido a 200 °C como máximo.

Aplicaciones: Piezas para automóviles y maquinaria de gran dureza superficial y núcleo resistente. Piezas que sufran gran desgaste y transmitan esfuerzos elevados. Engranajes, levas, etc.

• Aceros para cementación al Cr-Ni-Mo de 135 kgf/mm²: Tiene en su composición un 0,65% de Cr, un 4% de Ni y un 0,25% de Mo. Cementación a 880 °C - 930 °C, primer temple a 830 °C - 860 °C con aire o aceite, segundo temple a 740 °C - 770 °C con aceite. Revenido a 200 °C como máximo.

Aplicaciones: Piezas de grandes dimensiones de alta resistencia y dureza superficial. Máquinas y motores de máxima responsabilidad, ruedas dentadas, etc.

Cementación

Es el proceso diagenético por el cual los poros, de un sedimento o roca, se rellenan parcial o totalmente por precipitados químicos. Uno de los efectos más importantes de la cementación es la litificación del sedimento, lo que contribuye a cerrar la porosidad del mismo.

Son varias las especies minerales, carbonáticas o no, que pueden formar parte de los cementos, pero los más frecuentes son: calcita de bajo contenido en Mg (LMC), calcita de alto contenido en Mg (HMC), aragonito (Ar), dolomita y yeso.

Morfológicamente los cristales individuales del cemento pueden ser: fibrosos o aciculares, columnares y equidimensionales. El tamaño de los cristales puede ser muy variable, desde algunas micras (cemento micrítico) hasta centímetros, o incluso mayores. Para describir el conjunto de cristales que integran un cemento se emplea el término textura o fábrica.

La composición original de los cementos y sus texturas son fundamentales para poder interpretar los ambientes diagenéticos en los cuales se generaron (Tucker, 1988).

• - Cementos: texturas y ambientes diagenéticos
• - Otros cementos

 

Cementos: texturas y ambientes diagenéticos 

Grainstone oolítico con dos generaciones de cemento: la primera acicular y circumgranular y (originalmente de Ar), y la segunda, en mosaico de LMC. La primera generación caracteriza un ambiente diagenético marino freático, mientras que la segunda es característica de un ambiente diagenético meteórico freático.

Esta roca corresponde a una muestra de roca industrial, y es de origen desconocido.

AF= 3 mm. NX.

Cemento micrítico de HMC en posición menisco, aglutinando granos (fragmentos de rocas metamórficas y litoclastos). Estos pequeños puntos de cementación entre granos son suficientes para consolidar la arena (beachrock). Ambiente diagenético marino vadoso.

Beachrock desarrollado en la actualidad en la costa de Porto Rafti (Costa Este de Atenas, Grecia).

AF= 3 mm. NP.

Detalle de la muestra anterior, en la que se observa el cemento micrítico de HMC en posición menisco, aglutinando un par de granos. Ambiente diagenético marino vadoso.

Beachrock desarrollado en la actualidad en la costa de Porto Rafti (Costa Este de Atenas, Grecia).

AF = 1 mm. NP.

Cemento de Ar fibroso sobre granos (carbonáticos y terrígenos). Los cristales de aragonito tapizan los granos de manera discontinua. En negro porosidad interpartícula y móldica. Ambiente diagenético marino vadoso.

Beachrock. Playa de La Zenia (Alicante).

AF = 1 mm. NX.

Cemento continuo con hábito columnar (bladed), sobre la concha de un ostréido, posiblemente de calcita magnesiana (HMC) en origen (ambiente diagenético marino freático). El resto del espacio intergranular está ocupado por un cemento de mosaico de LMC (ambiente diagenético continental freático-profundo).

Cretácico inferior (Aptiense). Cordillera Ibérica. Grávalos (La Rioja).

AF = 3 mm. NX.

Cemento continuo con hábito columnar (bladed), sobre la concha de un ostréido, posiblemente de calcita magnesiana (HMC) en origen (ambiente diagenético marino freático). El resto del espacio intergranular está ocupado por un cemento de mosaico de LMC (ambiente diagenético continental freático-profundo).

Cretácico inferior (Aptiense). Cordillera Ibérica. Grávalos (La Rioja).

AF = 3 mm. NX.

Grainstone oolítico con el espacio intergranular ocupado por un mosaico grueso de LMC, que postdata la compactación mecánica (envueltas corticales de los oolitos fracturadas y selladas por cemento) y cierra totalmente la porosidad. Este cemento desarrolla textura sintaxial sobre restos de equinodermos (centro derecha).

Jurásico. Cordillera Ibérica. Sierra Palomera (Teruel).

AF = 3 mm. NX.

Cemento botroidal de calcita (en origen de Ar) asociado a espeleotemas.

Fm. Carniolas de Cortes de Tajuña. Jurásico inferior. Cordillera Ibérica. Alcolea del Pinar (Guadalajara).

AF = 3 mm. NX.

Grainstone bioclástico con dos generaciones de cemento: una primera, continua y acicular (Ar en origen), y una segunda, en mosaico de LMC, que postdata la compactación mecánica (envueltas micritizadas de bioclastos fracturadas) y cierra totalmente la porosidad.

Fm. Torrecilla. Jurásico terminal (Kimmeridgiense). Cordillera Ibérica. Renieblas (Soria).

AF = 3 mm. NP.

Cemento fibroso sobre bioclastos, posiblemente de Ar en origen (ambiente diagenético marino freático), actualmente calcitizado. El resto del espacio intergranular está ocupado por un mosaico grueso de LMC (2ª generación), que cierra totalmente la porosidad. Éste último desarrolla textura sintaxial sobre restos de equinodermos (inferior izquierda).

Fm. Tremp. Cretácico superior (Maastrichtiense). Unidad Surpirenaica Central. Terradets (Lérida).

AF = 1 mm. NX.

Grainstone bioclástico con dos generaciones de cemento: una primera, continua y acicular (Ar en origen), y una segunda, en mosaico de LMC, que cierra totalmente la porosidad.

Fm. Torrecilla. Jurásico terminal (Kimmeridgiense). Cordillera Ibérica. Renieblas (Soria).

AF = 3 mm. NP.

Arenita híbrida en la que se aprecia el detalle de un cemento sintaxial de LMC sobre placa de equinodermo.

Cretácico inferior (Aptiense). Cordillera Ibérica. Grávalos (La Rioja).

AF = 3 mm. NX.

Porosidad móldica (disolución de esqueleto aragonítico) de un coral, rellena por cemento de esparita en mosaico (LMC). Este cemento caracteriza un ambiente diagenético continental freático. La porosidad intrapartícula original está ocupada por sedimento interno micrítico (zonas oscuras).

Mioceno. Depresión Central Catalana. Olérdola (Barcelona).

AF = 3 mm. NX.

Grainstone oolítico con el espacio intergranular ocupado por un mosaico grueso de LMC (ambiente diagenético profundo), que postdata la compactación química (contactos cóncavo-convexos entre oolitos).

Cretácico superior. Cordillera Ibérica. Mota del Cuervo (Cuenca).

AF = 3 mm. NX.

Packstone de Alveolinas y con detalle de fractura rellena por cemento de esparita en mosaico grueso (LMC). El cemento post-data otros procesos diagenéticos previos a la fracturación (compactación y cementación temprana intrapartícula). Ambiente diagenético profundo.

Paleógeno. Cuenca de Áger. Unidad Surpirenaica Central.

AF = 3 mm. NX.

Grainstone bioclástico con desarrollo de cemento sintaxial (LMC) sobre placas de equinodermo.

Jurásico. Cordillera Ibérica. Odén (Teruel).

AF = 3 mm. NX.

Detalle de cemento grueso de calcita esparítica (LMC).

Fm. Carniolas de Cortes de Tajuña. Jurásico inferior. Cordillera Ibérica. Alcolea del Pinar (Guadalajara).

AF = 3 mm. NX.

Dolograinstone con desarrollo de cemento poiquilotópico de calcita (LMC), en color rojo, creciendo en porosidad secundaria.

PSII-73.

AF = 3 mm. NP.

 

Otros cementos 

Además de los cementos carbonáticos anteriores, también se pueden encontrar otras especies minerales: yeso - anhidrita, cuarzo, ópalo, celestina, etc.

Grainstone oolítico, parcialmente silicificado, con cemento en mosaico de megacuarzo.

Fm. Camarena. Jurásico medio. Dominio Subbetico.

AF = 3 mm. NX.

Cemento poiquilotópico de celestina (sulfato de estroncio, SrSO4) en azul, que postdata una generación previa de calcita en mosaico.

Paleógeno. Cuenca de Áger. Unidad Surpirenaica Central.

AF = 3 mm. NX.