Carburización

La carburación es un proceso de tratamiento térmico en el que el hierro o el acero absorben carbono mientras se calientan en presencia de un material que contiene carbono, como carbón vegetal o monóxido de carbono . El objetivo es endurecer el metal y aumentar su resistencia al desgaste. [ ^{1 ] Dependiendo} del tiempo y la temperatura, el contenido de carbono en la zona afectada puede variar. Tiempos de carburación más prolongados y temperaturas más altas suelen aumentar la profundidad de difusión del carbono. Cuando el hierro o el acero se enfrían rápidamente mediante temple , el mayor contenido de carbono en la superficie exterior se endurece debido a la transformación de austenita a martensita , mientras que el núcleo permanece blando y tenaz como una microestructura ferrítica o perlítica . ^{[ 2 ]}

Este proceso de fabricación se caracteriza por los siguientes puntos clave: se aplica a piezas con bajo contenido de carbono; las piezas están en contacto con un gas, líquido o sólido con alto contenido de carbono; produce una superficie dura en la pieza; los núcleos de las piezas conservan en gran medida su tenacidad y ductilidad ; y produce una capa de endurecimiento superficial de hasta 6,4 mm (0,25 pulgadas ) . En algunos casos, sirve como solución para la descarburación no deseada que se produjo anteriormente en el proceso de fabricación. 

La carburación del acero implica un tratamiento térmico de la superficie metálica utilizando una fuente de carbono. ^{[ 3 ]} La carburación puede utilizarse para aumentar la dureza superficial del acero con bajo contenido de carbono. ^{[ 3 ]}

La carburación inicial utilizaba la aplicación directa de carbón vegetal compactado alrededor de la muestra a tratar (inicialmente denominada endurecimiento superficial ), pero las técnicas modernas emplean gases o plasmas que contienen carbono (como dióxido de carbono o metano ). El proceso depende principalmente de la composición del gas ambiente y de la temperatura del horno, que deben controlarse cuidadosamente, ya que el calor también puede afectar la microestructura del resto del material. Para aplicaciones donde se desea un control preciso de la composición del gas, la carburación puede realizarse a presiones muy bajas en una cámara de vacío .

La carburación por plasma se utiliza cada vez más para mejorar las características superficiales (como la resistencia al desgaste y a la corrosión , la dureza y la capacidad de carga, además de otras variables de calidad) de diversos metales, especialmente aceros inoxidables . Este proceso es respetuoso con el medio ambiente (en comparación con la carburación gaseosa o sólida). Asimismo, proporciona un tratamiento uniforme de componentes con geometrías complejas (el plasma puede penetrar en orificios y espacios reducidos), lo que le confiere una gran flexibilidad en el tratamiento de componentes.

El proceso de carburación se produce mediante la difusión de átomos de carbono en las capas superficiales de un metal. Dado que los metales están formados por átomos unidos firmemente en una red cristalina metálica , los átomos de carbono se difunden en la estructura cristalina del metal y pueden permanecer en solución (disueltos en la matriz cristalina metálica, lo que suele ocurrir a bajas temperaturas) o reaccionar con elementos del metal huésped para formar carburos (normalmente a temperaturas más altas, debido a la mayor movilidad de los átomos del metal huésped). Si el carbono permanece en solución sólida, el acero se somete a un tratamiento térmico para endurecerlo. Ambos mecanismos fortalecen la superficie del metal: el primero mediante la formación de perlita o martensita, y el segundo mediante la formación de carburos. Ambos materiales son duros y resistentes a la abrasión.

La carburación gaseosa se realiza normalmente a una temperatura comprendida entre 900 y 950  °C.

En la soldadura oxiacetilénica , una llama carburante es aquella con poco oxígeno, que produce una llama humeante y de baja temperatura. Se utiliza a menudo para recocer el metal, haciéndolo más maleable y flexible durante el proceso de soldadura.

Un objetivo fundamental en la producción de piezas carburizadas es asegurar el máximo contacto entre la superficie de la pieza y los elementos ricos en carbono. En la carburización gaseosa y líquida, las piezas suelen colocarse en cestas de malla o suspenderse mediante alambre. En la carburización en paquete, la pieza y el carbono se encuentran dentro de un recipiente para garantizar el contacto en la mayor superficie posible. Los recipientes para carburización en paquete suelen estar fabricados de acero al carbono recubierto de aluminio o aleación de níquel-cromo resistente al calor, y sellados en todas las aberturas con arcilla refractaria.

La carburación se puede realizar tanto en un horno convencional (horno atmosférico) como en un horno de carburación de baja presión (LPC). ^{[ 4 ]}

• Horno convencional (horno de atmósfera controlada): la carburación convencional es un proceso de atmósfera controlada con control del potencial de carbono.
• Horno de carburación a baja presión (LPC): la carburación a baja presión se realiza sin oxígeno y con inyecciones de gas carburante (por ejemplo, acetileno ).

Existen diferentes tipos de elementos o materiales que se pueden utilizar para realizar este proceso, pero estos consisten principalmente en materiales con alto contenido de carbono. Algunos agentes endurecedores típicos incluyen monóxido de carbono (CO), cianuro de sodio y carbonato de bario , o carbón vegetal de madera dura. En la carburación gaseosa, el carbono se desprende mediante propano o gas natural . En la carburación líquida, el carbono se obtiene de una sal fundida compuesta principalmente de cianuro de sodio (NaCN) y cloruro de bario (BaCl₂ ₎ . En la carburación en polvo, el monóxido de carbono se desprende mediante coque o carbón vegetal de madera dura.

Existen diversos tipos de piezas que pueden carburizarse, lo que implica posibilidades casi ilimitadas en cuanto a la forma de los materiales. Sin embargo, se debe prestar especial atención a los materiales que presentan secciones no uniformes o asimétricas. Las distintas secciones transversales pueden tener diferentes velocidades de enfriamiento, lo que puede generar tensiones excesivas en el material y provocar su rotura. ^{[ 5 ]}

Es prácticamente imposible someter una pieza a carburación sin que sufra algún cambio dimensional. La magnitud de estos cambios varía según el tipo de material utilizado, el proceso de carburación al que se somete y el tamaño y la forma originales de la pieza. Sin embargo, los cambios son pequeños en comparación con los de los tratamientos térmicos. ^{[ 5 ]}

Por lo general, los materiales que se carbonizan son aceros de bajo contenido de carbono y aceros aleados con un contenido inicial de carbono que oscila entre el 0,2 y el 0,3 %. La superficie de la pieza debe estar libre de contaminantes, como aceite, óxidos o soluciones alcalinas, que impiden o dificultan la difusión del carbono en la superficie de la pieza. ^{[ 5 ]}

En general, los equipos de carburación por inmersión pueden procesar piezas de mayor tamaño que los equipos de carburación líquida o gaseosa, pero estos últimos son más rápidos y se prestan a la manipulación mecanizada de materiales. Además, las ventajas de la carburación sobre la carbonitruración son una mayor profundidad de la capa endurecida (es posible alcanzar profundidades superiores a 0,3 pulgadas), menor distorsión y mayor resistencia al impacto. Esto la hace ideal para aplicaciones de alta resistencia y desgaste (por ejemplo, tijeras o espadas). Las desventajas incluyen un mayor costo, temperaturas de trabajo más elevadas y mayor tiempo de procesamiento. ^{[ 5 ]}

En general, la carburación gaseosa se utiliza para piezas grandes. La carburación líquida se utiliza para piezas pequeñas y medianas, y la carburación en paquete se puede utilizar para piezas grandes y el procesamiento individual de piezas pequeñas en grandes cantidades. La carburación al vacío (carburación a baja presión o LPC) se puede aplicar a una amplia gama de piezas cuando se utiliza junto con el enfriamiento en aceite o en gas a alta presión (HPGQ), dependiendo de los elementos de aleación presentes en el material base. ^{[ 5 ]}

• Carbonitruración
• Endurecimiento superficial
• Proceso de cementación
• acero de crisol
• El acero Harvey (también conocido como acero Harveyizado), una aplicación temprana de la carburación.
• Hayward A. Harvey , pionero en el desarrollo de la carburación.
• Armadura Krupp
• Nitruración

• Geoffrey Parrish, Carburización: Microestructuras y propiedades. ASM International. 1999. pág. 11
• ECM USA, Sistemas de hornos de carburación atmosférica convencional frente a sistemas de carburación a baja presión. https://www.ecm-usa.com/resources/lpc-comparison

• «MIL-S-6090A, Especificación militar: Proceso para aceros utilizados en la carburación y nitruración de aeronaves» . Departamento de Defensa de los Estados Unidos . 7 de junio de 1971. Archivado del original (PDF) el 29 de agosto de 2019. Consultado el 19 de junio de 2012 .