1013-2006-ESIME-ZAC-MAESTRIA-ayala-rodriguez-salvadoruben

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL 
 ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA 
 MECÁNICA Y ELÉCTRICA 
 
 
 SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E 
 INVESTIGACIÓN 
 
 
 
 
EXPERIMENTACIÓN Y VALORIZACIÓN DE LA INFLUENCIA DE LOS 
ELEMENTOS DE ALEACIÓN EN LA RESISTENCIA AL DESGASTE DE LA 
CAPA DURA EN UN PROCESO DE CEMENTACIÓN SÓLIDA 
 
 
 
T E S I S 
 QUE PARA OBTENER EL GRADO DE: 
 
 MAESTRO EN CIENCIAS CON ESPECIALIDAD 
 EN INGENIERÍA MECÁNICA 
 
 
 P R E S E N T A 
 
 SALVADOR RUBÉN AYALA RODRÍGUEZ 
 
 
 
 DIRIGIDA POR: 
 
 DR. GUILLERMO URRIOLAGOITIA CALDERÓN 
 
 
 MÉXICO, D. F. AGOSTO 2006 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL 
SECRETARÍA DE INVESTIGACIÓN Y POSGRADO 
 
 
 
CARTA DE CESIÓN DE DERECHOS 
 
En la Ciudad de México, D.F., el día 31 del mes de Marzo del año 2006 
el que suscribe Salvador Rubén Ayala Rodríguez alumno (a) del programa de 
Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica opción diseño 
con número de registro B040962 adscrito a la Sección de Posgrado e Investigación de la 
E.S.I.M.E Unidad Zacatenco, manifiesta que es autor intelectual del presente Trabajo de 
Tesis bajo la dirección del Dr. Guillermo Urriolagoitia Calderón y cede los 
derechos del trabajo intitulado: EXPERIMENTACIÓN Y VALORIZACIÓN DE LA INFLUENCIA DE 
LOS ELEMENTOS DE ALEACIÓN EN LA RESISTENCIA AL DESGASTE DE LA CAPA DURA EN 
UN PROCESO DE CEMENTACIÓN SÓLIDA al 
Instituto Politécnico Nacional para su difusión, con fines Académicos y de Investigación. 
 
Los usuarios de la información no deben reproducir el contenido textual, graficas o datos 
del trabajo sin el permiso expreso del autor y/o director del trabajo. Este puede ser 
obtenido escribiendo a la siguiente dirección: ___________sayala@ipn.mx_____________ 
Sin el permiso se otorga, el usuario deberá dar el agradecimiento correspondiente y citar la fuente 
del mismo. 
 
 
Firma. 
 
 
_________________________ 
Salvador Rubén Ayala Rodríguez 
 
 
 
 
SEPI-ESIME-IPN-2006 I 
 
 
 
CONTENIDO 
 
 
 
 
ÍNDICE GENERAL II 
ÍNDICE DE FIGURAS VI 
ÍNDICE DE TABLAS X 
ÍNDICE DE FOTOGRAFÍAS XIII 
ÍNDICE SIMBOLOGÍA XIV 
RESUMEN XV 
ABSTRACT XVI 
OBJETIVOS XVII 
JUSTIFICACIÓN XVIII 
DEFINICIÓN DE CONCEPTOS XIX 
INTRODUCCIÓN 1 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
SEPI-ESIME-IPN-2006 II 
 
 
 
ÍNDICE GENERAL 
 
 
CAPÍTULO 1 DIFUSIÓN EN EL ESTADO SÓLIDO 6 
1.1 Introducción. 7 
1.2 Mecanismos de difusión. 7 
1.2.1 Mecanismos de difusión por vacancias o 
 substitucional. 7 
1.2.2 Mecanismos de difusión intersticial. 9 
1.3 Difusión en estado estacionario. 10 
1.3.1 Primera Ley de Fick. 11 
1.4 Difusión en estado no estacionario. 12 
1.4.1 Segunda Ley de Fick. 12 
1.5 Factores que afectan la difusión. 14 
1.5.1 Tipo de mecanismo de difusión. 14 
1.5.2 Temperatura a la cual ocurre la difusión. 14 
1.5.3 Estructura cristalinas. 14 
1.5.4 Imperfecciones cristalinas. 14 
1.5.5 Concentración de componentes. 14 
1.6 Descripción del proceso de cementación sólida. 15 
1.7 Planteamiento del problema. 16 
1.8 Referencia bibliográfica. 17 
 
 
 
CAPÍTULO 2 PROCESO DE CEMENTACIÓN SÓLIDA. 19 
 
2.1 Introducción. 20 
2.2 Proceso de cementación sólida. 20 
2.3 Aceros para cementar. 23 
2.3.1 Tipos de aceros. 23 
2.3.1.1 Aceros al carbono. 24 
2.3.1.2 Aceros de media aleación. 25 
2.3.1.3 Aceros de alta aleación. 26 
2.3.2 Influencia del tamaño de grano. 26 
2.3.3 Influencia de los elementos de aleación. 27 
2.4 Capa cementada. 30 
2.4.1 Características mecánicas de la capa cementada. 31 
2.4.1.1 Determinación del espesor de la capa 
 cementada y de la capa dura. 33 
 
 
 
 
 
SEPI-ESIME-IPN-2006 III 
 
 
 
2.4.1.2 Determinación de los esfuerzos a que está 
 sometida la capa de cementación. 35 
2.4.1.3 Características mecánicas del núcleo 
 cementado. 37 
2.4.1.4 Protección de zonas que no desean 
 endurecerse. 41 
2.5 Cementación líquida. 42 
2.6 Cementación gaseosa. 44 
2.7 Instalaciones para cementar. 44 
2.8 Referencia bibliográfica. 46 
 
 
 
CAPÍTULO 3 TRATAMIENTO TÉRMICO DE PIEZAS CEMENTADAS 47 
3.1 Tratamientos térmicos de los aceros. 48 
3.2 Recocido. 48 
 3.2.1 Constituyentes microestructurales del acero. 50 
3.3 Temple. 57 
3.3.1 Factores que influyen en el temple. 58 
3.3.1.1 Temperatura del medio de temple. 58 
3.3.1.2 Condición superficial. 60 
3.3.1.3 Tamaño y masa. 61 
3.3.1.4 Medios de temple. 62 
3.4 Efecto de los elementos de aleación. 63 
3.4.1 Influencia de los elementos de aleación sobre el 
diagrama hierro-carburo de hierro. 66 
3.4.2 Elementos que amplían la región gama. 67 
3.4.3 Elementos que reducen la región gama. 68 
 3.5 Revenido. 68 
3.5. 1 Cambios microestructurales en la martensita 
sometida a revenido. 69 
3.5.2 Transformación de la austenita residual. 70 
3.6 Diferentes clases de tratamientos que se dan a piezas 
 cementadas. 71 
3.6.1 Cementación, temple directo y revenido final. 72 
 3.6.2 Cementación, enfriamiento lento, temple a temperatura 
 intermedia entre Ac1 y Ac3 y revenido final. 72 
3.6.3 Cementación, enfriamiento lento, temple a temperatura 
 ligeramente superior a Ac3 y revenido final. 73 
3.6.4 Cementación, enfriamiento lento, temple escalonado 
 y revenido final. 73 
 3.7 Equipo utilizado en la industria. 75 
3.8 Referencia bibliográfica. 76 
 
 
 
 
SEPI-ESIME-IPN-2006 IV 
 
 
CAPÍTULO 4 DESGASTE DE LOS MATERIALES 75 
 
4.1 Introducción. 76 
4.2 Fricción y desgaste. 76 
4.2.1 Factores que influyen en el desgaste. 78 
4.2.1.1 Dureza del material. 78 
4.2.1.2 Distancia. 79 
4.2.1.3 Carga. 79 
4.2.1.4 Temperatura. 79 
4.2.1.5 Velocidad de deslizamiento. 81 
4.2.1.6 Acabado de superficie. 84 
 4.2.1.7 Contaminantes y efectos ambientales. 84 
 4.3 Mecanismos de desgaste. 84 
 4.3.1 Desgaste adhesivo. 85 
4.3.1.1 Mecanismos de rayado y adhesión.85 
4.3.1.2 Efecto de la película en la superficie. 87 
4.3.1.3 Características de la película de óxido. 87 
4.3.1.4 Selección del material. 88 
4.3.1.5 Control del desgaste adhesivo. 88 
 4.3.2 Desgaste abrasivo. 90 
4.3.2.1 Teoría del desgaste abrasivo. 91 
4.3.2.2 Tipos de desgaste abrasivo. 91 
4.3.2.3 Control de la abrasión. 94 
 4.3.3 Transferencia de metales. 94 
4.3.3.1 Acero sobre latón. 95 
4.3.3.2 Acero sobre acero. 97 
 4.4 Protección contra el desgaste. 98 
 4.4.1 Electro depositado. 98 
 4.4.2 Anodizado. 99 
 4.4.3 Difusión. 99 
 4.4.4 Rociado metálico. 100 
 4.4.5 Revestimiento con capa de metal duro. 100 
 4.4.6 Tratamiento térmicos selectivos. 102 
4.5 Referencia bibliográfica. 105 
 
 
 
CAPÍTULO 5 RESULTADOS Y ANÁLISIS DE LAS DIFERENTES 
 PROBETAS QUE FUERON SOMETIDAS AL 
 PROCESO DE CEMENTACIÓN SÓLIDA, 
 ACERO BAJO EN CARBONO Y ACERO ALEADO. 107 
 
5.1 Desarrollo experimental. 109 
 
 
 
 
 
SEPI-ESIME-IPN-2006 V 
 
 
 5.1.1 Equipo empleado. 109 
 5.1.2 Metodología experimental. 110 
5.2 Análisis metalográfico en microscopio óptico. 113 
5.3 Análisis metalográfico en microscopio electrónico. 116 
5.4 Pruebas de dureza. 120 
5.5 Resultado de prueba de desgaste en seco, húmedo y 
 arena. 126 
5.6 Determinación del coeficiente de fricción y empuje radial. 138 
5.7 Discusión de resultado. 151 
5.7.1 Análisis de resultado del coeficiente de fricción y empuje 154 
 radial o friccionante. 
 
 
 
CONCLUSIONES. 
 
 
 
RECOMENDACIONES PARA TRABAJOS FUTUROS. 
 
 
 
ANEXOS. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
SEPI-ESIME-IPN-2006 VI 
 
 
 
ÍNDICE DE FIGURAS 
 
Figura 1.1 Energía de activación en el movimiento de los átomos en 
un metal. 8 
Figura 1.2 Solución sólida intersticial los átomos. 9 
Figura 1.3 Solución sólida intersticial de carbono en hierro gamma FCC. 10 
Figura 1.4 Difusión en estado estacionario de átomos con un gradiente de concentración 11 
Figura 2.1 Profundidad de la penetración del carbono (capa cementada). 22 
Figura 2.2 Contenido en carbono de la capa cementada. 22 
Figura 2.3 Temperaturas críticas de diversos aceros al carbono y aleados. 28 
Figura 2.4 Capa periférica de una pieza cementada y templada de un acero cromo-níquel 32 
Figura 2.5 Agujas de martensita sobre un fondo blanco de austenita retenida. 32 
Figura 2.6 Curva de la S de un acero de cementación al níquel. 33 
Figura 2.7 Ensayo de microdureza Vickers en la sección transversal de un acero cementado y templado. 34 
Figura 2.8 Ensayo de microdureza Vickers en la sección transversal de un acero cementado y templado. 
35 
Figura 2.9 Diagramas de esfuerzos, correspondientes a dos piezas cementadas, 
36 
Figura 2.10 Cementación a 925 °c durante ocho horas y temple posterior en agua a las temperaturas que se indican. 
37 
Figura 2.11 Cementación a 925 °c durante ocho horas; primer temple a 925 °c en agua, y segundo temple, en agua. 
38 
Figura 2.12 Aceros de 5 % de níquel. 38 
Figura 2.13 Aceros de 0,50 % de Cr, 1,75 de Ni y 0,25 de Mo. 39 
Figura 2.14 Horno para calentar cementado con aceite. 45 
Figura 2.15 Instalación para cementar. 45 
Figura 3.1 Intervalo de recocido, normalizado y endurecimiento para aceros al carbono. 
49 
Figura 3.2 Diagrama metaestable hierro – carburo de hierro. 50 
Figura 3.3 Microestructura del acero al carbono, cristales blancos de ferrita. 
51 
Figura 3.4 Microestructuras del acero 1% C, red blanca de cementita. 52 
Figura 3.5 Microestructura del acero al carbono, cristales oscuros de 
perlita. 
53 
Figura 3.6 La austenita 53 
Figura 3.7 Microestructura de la martensita. 54 
Figura 3.8 Nódulos negros de troostita sobre un fondo más claro de 
martensita. 
55 
Figura 3.9 Agregado fino de cementita y hierro alfa. 55 
 
 
 
 
SEPI-ESIME-IPN-2006 VII 
 
 
Figura 3.10 Transformación de la bainita a diferentes temperaturas. 56 
Figura 3.11 Curvas de enfriamiento obtenidas en el centro de las 
muestras templadas en agua. 
58 
Figura 3.12 Efecto de las escamas sobre la curva de enfriamiento. 60 
Figura 3.13 Efecto de la masa sobre la curva de enfriamiento obtenido en 
el centro de muestras de acero inoxidable templadas en 
aceite. 
62 
Figura 3.14 Curva de enfriamiento obtenidas en el centro de una barra de
acero inoxidable. 
63 
Figura 3.15 Ampliación por el carbono de la región gamma y del hierro. 68 
Figura 3.16 Dureza y tenacidad de la barra muescada de un acero 4140 
después de revenir. 
69 
Figura 3.17 Austenita residual que se puede obtener en el temple de los 
aceros al carbono 
71 
Figura 3.18 Austenita retenida y tamaño de grano 71 
Figura 3.19 Diferentes clases de tratamientos que se pueden dar a las 
piezas cementadas. 
74 
Figura 3.20 Un horno para cementar, calentado con aceite. 75 
Figura 3.21 El taller de tratamientos de una empresa. 75 
Figura 4.1 Efecto del deslizamiento en el daño por rozamiento en un 
acero. 
81 
Figura 4.2 Variación de la razón de desgaste con la temperatura para un 
latón 60/40, sobre acero para herramientas. 
82 
Figura 4.3 Gráfica de la razón de desgaste en relación con el recíproco 
de la dureza. 
83 
Figura 4.4 Variación de la razón de desgaste y la transferencia de metal 
con la velocidad. 
84 
Figura 4.5 Variación de la razón de desgaste y la temperatura 
superficial, con velocidad para espigas aisladas térmicamente 
y enfriadas. 
85 
Figura 4.6 La dureza como una función del contenido de carbono 95 
Figura 4.7 Variación entre el tiempo de desgaste y la transferencia de 
metal de una espiga de latón que se desliza sobre un anillo 
de estelita. 
98 
Figura 5.1 Comportamiento del cambio de dureza de recocido para una 
cementación en un tiempo de 2 horas. 
120 
Figura 5.2 Comportamiento del cambio de dureza en temple para una 
cementación en un tiempo de 2 horas. 
121 
Figura 5.3 Comportamiento del cambio de dureza en revenido para una 
cementación en un tiempo de 4 horas. 
122 
Figura 5.4 Comportamiento del cambio de dureza en temple para una 
cementación en un tiempo de 4 horas. 
122 
Figura 5.5 Comportamiento del cambio de dureza en revenido para una 
cementación en un tiempo de 6 horas. 
123 
Figura 5.6 Comportamiento del cambio de dureza en temple para una 
cementación en un tiempo de 6 horas. 
124 
 
 
 
 
 
SEPI-ESIME-IPN-2006 VIII 
 
 
Figura 5.7 Comportamiento del cambio de dureza en revenido para una 
cementación en un tiempo de 6 horas. 
125 
Figura 5.8 Torque aplicado con respecto al tiempo, para el acero1018 
con 2 horas de cementado. 
127 
Figura 5.9 Torque aplicado con respecto al tiempo, para el acero 1018 
con 4 horas de cementado. 
129 
Figura 5.10 Torque aplicado con respecto al tiempo, para el acero 1018 
con 6 horas de cementado.131 
Figura 5.11 Torque aplicado con respecto al tiempo, para el acero 8620 
con 2 horas de cementado. 
133 
Figura 5.12 Torque aplicado con respecto al tiempo, para el acero 8620 
con 4 horas de cementado. 
135 
Figura 5.13 Torque aplicado con respecto al tiempo, para el acero 8620 
con 6 horas de cementado. 
137 
Figura 5.14 Coeficiente de fricción con respecto al tiempo, para el acero 
1018 con 2 horas de cementado. 
140 
Figura 5.15 Empuje radial con respecto al tiempo, para el acero 1018 con 
2 horas de cementado. 
140 
Figura 5.16 Coeficiente de fricción con respecto al tiempo, para el acero 
1018 con 4 horas de cementado. 
142 
Figura 5.17 Empuje radial con respecto al tiempo, para el acero 1018 con 
4 horas de cementado. 
142 
Figura 5.18 Coeficiente de fricción con respecto al tiempo, para el acero 
1018 con 6 horas de cementado. 
144 
Figura 5.19 Empuje radial con respecto al tiempo, para el acero 1018 con 
6 horas de cementado. 
144 
Figura 5.20 Coeficiente de fricción con respecto al tiempo, para el acero 
8620 con 2 horas de cementado. 
146 
Figura 5.21 Empuje radial con respecto al tiempo, para el acero 1018 con 
2 horas de cementado. 
146 
Figura 5.22 Coeficiente de fricción con respecto al tiempo, para el acero 
8620 con 4 horas de cementado. 
148 
Figura 5.23 Empuje radial con respecto al tiempo, para el acero 8620 con 
4 horas de cementado. 
148 
Figura 5.24 Coeficiente de fricción con respecto al tiempo, para el acero 
8620 con 6 horas de cementado. 
150 
Figura 5.25 Empuje radial con respecto al tiempo, para el acero 8620 con 
6 horas de cementado. 
150 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
SEPI-ESIME-IPN-2006 IX 
 
 
 
 
ÍNDICE TABLAS 
 
 
Tabla 1.1 Energía de activación en el movimiento de los átomos 
 en un metal. 8 
Tabla 1.2 Tabla de la función error. 13 
Tabla 1.3 Difusividad a 500 °c y 1000 °c para sistemas seleccionados de 
difusión soluto – disolvente. 15 
Tabla 2.1 Aceros que conviene emplear y métodos de enfriamiento recomendable para la fabricación de piezas cementadas. 24 
Tabla 2.2 Características que se obtienen después de una cementación a 
925°c durante 8 horas con un acero. 40 
Tabla 2.3 Características que se obtienen en la periferia y en el núcleo 
central de un acero cromo-níquel cementado. 40 
Tabla 2.4 Composición de las sales empleadas para la cementación de 
los aceros. 43 
Tabla 3.1 Velocidades de enfriamiento en el centro de una muestra de 
acero inoxidable. 59 
Tabla 3.2 Severidad de temple en relación con agua inmóvil con valor 
de10 para variar condiciones de tiempo. 59 
Tabla 3.3 Efectos principales de los elementos de aleación más 
importantes de los aceros. 67 
Tabla 4.1 Clasificación de los aceros resistentes al desgaste. 91 
Tabla 4.2 Clasificación simplificada de revestimientos duros, aleados, 
resistentes al desgaste. 
103 
Tabla 4.3 Efecto de la frecuencia en la profundidad de la dureza de la 
porción externa. 
106 
Tabla 5.1 Análisis químico del acero SAE 1018 acero al carbono. 109 
Tabla 5.2 Análisis químico del acero aleado SAE 8620 grado 
maquinaría. 
110 
Tabla 5.3 Parámetros de control, para realizar el proceso de 
investigación. 
110 
Tabla 5.4 Análisis químico del acero de la probeta abrasiva. 112 
Tabla 5.5 Material recocido, Dureza Rockwell B. 120 
Tabla 5.6 Durezas vickers obtenidas en la capa cementada, aplicando 
una carga de10 kg. 
121 
Tabla 5.7 Durezas vickers obtenidas en la capa cementada, aplicando 
una carga de10 kg. 
123 
Tabla 5.8 Durezas vickers obtenidas en la capa cementada, aplicando 
una carga de 10 kg penetrador. 
124 
Tabla 5.9 Tabla de desgaste en seco, acero 1018, 2 horas. 126 
Tabla 5.10 Desgaste en aceite. 126 
Tabla 5.11 Desgaste en arena. 126 
 
 
 
 
SEPI-ESIME-IPN-2006 X 
 
 
Tabla 5.12 Desgaste en seco en un acero 1018, 4 horas. 128 
Tabla 5.13 Desgaste en aceite en un acero 1018. 128 
Tabla 5.14 Desgaste en arena en un acero 1018. 128 
Tabla 5.15 Desgaste en seco en un acero 1018, 6 horas. 130 
Tabla 5.16 Desgaste en aceite en un acero 1018. 130 
Tabla 5.17 Desgaste en arena en un acero 1018. 130 
Tabla 5.18 Desgaste en seco en un acero 8620,2 horas. 132 
Tabla 5.19 Desgaste en aceite en un acero 8620. 132 
Tabla 5.20 Desgaste en arena en un acero 8620. 132 
Tabla 5.21 Desgaste en seco en un acero 8620, 4 horas. 134 
Tabla 5.22 Desgaste en aceite en un acero 8620. 134 
Tabla 5.23 Desgaste en arena en un acero 8620. 134 
Tabla 5.24 Desgaste en seco en un acero 8620, 6horas. 136 
Tabla 5.25 Desgaste en aceite en un acero 8620. 136 
Tabla 5.26 Desgaste en arena en un acero 8620. 136 
Tabla 5.27 Determinación del coeficiente de fricción, seco acero 1018, 2 
horas. 
139 
Tabla 5.28 Determinación del coeficiente de fricción, aceite acero 1018, 2 
horas. 
139 
Tabla 5.29 Determinación del coeficiente de fricción, arena acero 1018, 2 
horas. 
139 
Tabla 5.30 Determinación del coeficiente de fricción, seco acero 1018, 4 
horas. 
141 
Tabla 5.31 Determinación del coeficiente de fricción, aceite acero 1018, 4 
horas. 
141 
Tabla 5.32 Determinación del coeficiente de fricción, arena acero 1018, 4 
horas. 
141 
Tabla 5.33 Determinación del coeficiente de fricción, seco acero 1018, 6 
horas. 
143 
Tabla 5.34 Determinación del coeficiente de fricción, aceite acero 1018, 6 
horas. 
143 
Tabla 5.35 Determinación del coeficiente de fricción, arena acero 1018, 6 
horas. 
143 
Tabla 5.36 Determinación del coeficiente de fricción, seco acero 8620, 2 
horas. 
145 
Tabla 5.37 Determinación del coeficiente de fricción, aceite acero 8620, 2 
horas. 
145 
Tabla 5.38 Determinación del coeficiente de fricción, arena acero 8620, 2 
horas. 
145 
Tabla 5.39 Determinación del coeficiente de fricción, seco acero 8620, 4 
horas. 
147 
Tabla 5.40 Determinación del coeficiente de fricción, aceite acero 8620, 4 
horas. 
147 
Tabla 5.41 Determinación del coeficiente de fricción, arena acero 8620, 4 
horas. 
147 
 
 
 
 
 
SEPI-ESIME-IPN-2006 XI 
 
 
Tabla 5.42 Determinación del coeficiente de fricción, seco acero 8620, 
horas. 
149 
Tabla 5.43 Determinación del coeficiente de fricción, aceite acero 8620, 6 
horas. 
149 
Tabla 5.44 Determinación del coeficiente de fricción, arena acero 8620, 6 
horas. 
149 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
SEPI-ESIME-IPN-2006 XII 
 
 
 
 
ÍNDICE DE FOTOGRAFÍAS 
 
 
Fotografía 5.1 Estructura de cementita libre en los límite de grano. 113 
 
Fotografía 5.2 Grupos de granos de perlita fina, en una matriz ferrítica. 113 
 
Fotografía 5.3 Formación de carburo (cementita). 114 
 
Fotografía 5.4 Se observa una distribución de perlita más homogénea. 114 
 
Fotografía 5.5 Se observa una estructura de perlita granular. 115 
 
Fotografía 5.6 Visualizamos una perlita acicular. 115 
 
Fotografía 5.7 Capa cementada. 116 
 
Fotografía 5.8 Formación de perlita fina. 116 
 
Fotografía 5.9 Capa cementada. 117 
 
Fotografía 5.10 Formada por granos de perlita fina.117 
 
Fotografía 5.11 Capa cementada. 118 
 
Fotografía 5.12 Observamos líneas de carburos en los límites de grano. 118 
 
Fotografía 5.13 Capa cementada 119 
 
Fotografía 5.14 Formada por granos de perlita 120 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
SIMBOLOGÍA 
 
HC Hexagonal compacta. 
FCC Cúbica centrada en las caras. 
BCC Cúbica centrada en el cuerpo. 
C1 Concentración de átomos en el plano 1. 
C2 Concentración de átomos en el plano 2. 
X1 Distancia al plano 1. 
X2 Distancia al plano 2. 
dc 
dx Gradiente de concentración. 
D Coeficiente de difusión. 
J Flujo de átomos del plano 1 al plano 2. 
Ac3 Línea crítica superior de transformación de 910 a 723°c. 
Acm Línea que muestra la máxima cantidad de carbono para disolver en 
austenita de 723 a 1145°c. 
Ac1 Línea crítica inferior a 723°c. 
γ Hierro gama. 
δ Hierro delta. 
α Hierro alfa. 
π Valor de 3.1416. 
D Diámetro de pieza. 
L Longitud de la pieza. 
ρ Densidad del material. 
R Resistencia a la tensión. 
A Elongación del material. 
f Coeficiente de fricción. 
s Resistencia al corte. 
p Resistencia al flujo del material. 
Hz Unidad de frecuencia.
SEPI-ESIME-IPN-2006 XIII 
 
 
 
 
 
 
SEPI-ESIME-IPN-2006 XIV 
 
 
 
 
 
 
 
 
RESUMEN 
 
 
 
 
 
 
El presente trabajo expone la investigación, donde se determina la influencia de 
los elementos de aleación en la resistencia al desgaste, en un proceso de 
cementación sólida, considerando los aceros SAE1018 y SAE8620 para cementar, 
caracterizando sus propiedades mediante el análisis metalográfico, ensayo de 
dureza y resistencia a la abrasión, donde se analizan los resultados obtenidos 
para cada acero. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
SEPI-ESIME-IPN-2006 XV 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ABSTRACT 
 
 
 
 
 
The present work expose the investigation where is determined the influence 
gives for alloy elements in the wear resistance, in a solid cementation process, 
considering to cement steels SAE1018 and SAE8620, characterizing their 
properties by metallographic analysis, hardness and abrasion resistance, where 
the results gives each steel are analyzed. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
SEPI-ESIME-IPN-2006 XVI 
 
 
 
 
 
 
 
 
OBJETIVOS 
 
 
 
En esta investigación, se pretende alcanzar los siguientes objetivos: 
 
Caracterizar los elementos de aleación en las propiedades de los aceros para 
cementar. 
 
Estudiar las diferentes variables que controlan el proceso de cementación sólida 
en el acero al carbono (SAE 1018) y acero aleado (SAE 8620). 
 
Evaluar el efecto del carbono atómico como agente cementante en el proceso de 
cementación sólida, así como determinar el efecto de la penetración del carbono 
en función de temperatura y tiempo. 
 
 
Efectuar el proceso de tratamiento térmico por medio del temple al agua para 
evaluar la dureza superficial de cada acero. 
 
 
Evaluar los resultados de los diferentes tipos de aceros utilizados, para 
recomendar el acero que sea el más apto en trabajos de desgaste. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
SEPI-ESIME-IPN-2006 XVII 
 
 
 
JUSTIFICACIÓN 
 
 
 
Las actuales exigencias tecnológicas ponen de manifiesto la necesidad de 
disponer de materiales metálicos con elevadas prestaciones bajo condiciones de 
servicio críticas, así por ejemplo, las matrices metálicas empleadas en los 
procesos metalúrgicos en la fabricación en frío y en caliente de los metales, 
necesitan alta tenacidad y elevada dureza superficial, especialmente a alta 
temperatura en algunos casos. 
 
 
 
 
Generalmente, los tratamientos térmicos superficiales tienen por objeto el 
endurecimiento de la superficie de los metales y por consiguiente el aumento de la 
resistencia al desgaste, y se aplican generalmente para aquellas áreas donde se 
encuentran la exposición máxima a condiciones de uso severo, tales como: 
fricción de metal con metal, abrasión, impacto, invasión de partículas sólidas, entre 
otras aplicaciones. Los aceros SAE1018 y SAE8620 son los que utilizaremos para 
cementar, los cuales por medio de la difusión del carbono satisfacen estas 
exigencias dentro de la industria metal-mecánica, química, textil, metalúrgica, etc. 
 
 
 
 
 
Los aceros para cementar SAE1018 y 8620 son estudiados en este trabajo. Estos 
son particularmente importantes dentro de los usos a que se destinan, entre otras 
aplicaciones, pueden disminuir los costos de servicio y mantenimiento. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
SEPI-ESIME-IPN-2006 XVIII 
 
 
 
DEFINICIÓN DE CONCEPTOS 
 
 
Difusión. Movimiento espontáneo de átomos y moléculas a nuevos sitios dentro 
de un material. 
 
Difusión sustitucional o de vacancia. Los átomos pueden moverse en las redes 
cristalinas desde una posición a otra, si hay suficiente energía de activación, 
proporcionada ésta por la vibración térmica de los átomos 
 
Difusión Intersticial. Es cuando los átomos van desde una posición intersticial a 
otra vecina desocupada sin desplazar permanentemente a ninguno de los átomos 
de la red cristalina matriz, 
 
Energía de activación. Es aquella que los átomos necesitan absorber para 
deslazarse dentro de una red cristalina. 
 
Factor de empaquetamiento. Fracción de espacio ocupado por los átomos. 
 
Intersticio. Defecto puntual causado cuando un átomo “normal” ocupa un sitio 
intersticial dentro de la red. 
 
Vacancia. Átomo faltante en algún punto de la red. 
 
Cementación sólida. Introducir carbono en una aleación sólida ferrosa 
manteniéndola por arriba de Ac3, en contacto con un material carbonoso sólido a 
base de carbón vegetal y carbonato de bario 
 
Cementación líquida. Introducir carbono en una aleación sólida ferrosa 
manteniéndola por arriba de Ac3, en contacto con un material carbonoso 
líquido a base desales de cianuro de sodio o potasio. 
 
Cementación gaseosa. Introducir carbono en una aleación sólida ferrosa 
manteniéndola por arriba de Ac3, en contacto con un material carbonoso gaseoso 
de monóxido de carbono, en sistema cerrado. 
 
Carburización del acero. Es crear una capa superficial rica en carbono en la 
superficie, y de una dureza elevada, sobre la pieza de acero de bajo carbono. 
 
Acero. Aleación de base hierro y cementita o carburo de hierro. 
 
 
 
 
 
 
 
Acero al carbono. Aquel que contiene hasta aproximadamente 2% de carbono y 
cantidades de otros elementos, silicio, manganeso, elementos residuales de 
azufre y fósforo. 
 
Acero aleado. Puede definirse como aquel cuyas propiedades características se 
deben a algún elemento diferente del carbono. 
 
Límite elástico. Esfuerzo máximo al que un material puede someterse sin que 
resulte ninguna deformación permanente después de la liberación completa de 
esfuerzos. 
 
Dureza. Resistencia delmetal a la deformación plástica generalmente por 
indentación. 
 
Tratamiento térmico. La definición dada en el Metals Handbook es: Una 
combinación de operaciones de calentamiento y enfriamiento, de tiempos 
determinados y aplicadas a un metal o aleación en el estado sólido en una forma 
tal que producirá propiedades deseadas. 
 
Recocido. Tratamiento térmico utilizado para eliminar una parte o la totalidad de 
los efectos del trabajo en frío. 
 
Ferrita. Solución sólida alfa, es una solución sólida intersticial de una pequeña 
cantidad de carbono disuelto en hierro alfa (bcc). 
 
Perlita. Es la mezcla eutectoide que contiene 0.80 %C y se forma a 723°c a un 
enfriamiento lento. Es una mezcla muy fina, tipo placa o laminar de ferrita y 
cementita. 
 
Cementita o carburo de hierro. Contiene 6.67 %C por peso. Es un compuesto 
intersticial típicamente duro y frágil de baja resistencia tensil (aprox. 5 000 
lb/pulg2), pero de alta resistencia compresiva. 
 
Austenita. Es el nombre dado a la solución sólida gamma. Es una solución sólida 
intersticial de carbono disuelto en hierro gamma (fcc). 
 
Martensita. Fase metaestable formada en el acero y en otros materiales, 
mediante una transformación atérmica sin difusión. 
 
Troostita. Es un agregado muy fino de cementita y ferrita, se produce por un 
enfriamiento de la austenita con una velocidad de enfriamiento ligeramente inferior 
a la crítica de temple o por transformación isotérmica de la austenita. 
SEPI-ESIME-IPN-2006 XIX 
 
 
 
 
 
 
 
SEPI-ESIME-IPN-2006 XX 
 
 
Sorbita. Es un agregado fino de cementita y ferrita. 
 
Bainíta. Microconstituyente bifásico, el cual contiene ferrita y cementita, y que se 
forma en los aceros transformados isotérmicamente a temperatura relativamente 
bajas. 
 
Temple. Es un proceso que consiste en calentar y enfriar el acero para aumentar 
su dureza y resistencia a la tracción, para reducir su ductilidad y para obtener una 
estructura de grano fino. 
 
Revenido. Tratamiento térmico a baja temperatura, utilizado para reducir la 
dureza de la martensita, al permitir que ésta empiece a descomponerse en las 
fases de equilibrio. 
 
Desgaste. Puede definirse como el deterioro no intencional resultante del empleo 
o del ambiente; puede considerarse esencialmente como un fenómeno de 
superficie. 
 
Desgaste abrasivo. Eliminación de material de la superficie por la acción de corte 
de las partículas. 
 
Desgaste adhesivo. Eliminación de material de las superficies en movimiento, 
debido a uniones locales momentáneas y a la ruptura inmediata de dicha unión. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
INTRODUCCIÓN 
 
SEPI-ESIME-IPN 2006 1 
 
INTRODUCCIÓN 
 
 
 
Los modernos sistemas de transporte, con sus exigencias de rapidez, comodidad 
y economía, por una parte, las nuevas técnicas de fabricación para reducir costes 
y mejorar la calidad, por otra, obligan a tener en cuenta una serie de 
características en el momento de la elección de materiales y de los procesos 
mecánicos-metalúrgicos a seguir en las piezas o mecanismos que integran estos 
sistemas. 
 
La mayor parte de las piezas que componen las máquinas y motores, se fabrican 
de forma que sus propiedades mecánicas sean bastante uniformes en toda la 
masa. Sin embargo, en ciertos mecanismos es necesario que algunas piezas 
tengan superficies muy duras o resistentes al desgaste y a la penetración, y el 
núcleo central muy tenaz, para poder soportar los choques a que están sometidas. 
Los procedimientos más usados en la actualidad para conseguir estas 
características, gran dureza y mucha tenacidad, al parecer opuestas entre sí, son 
los siguientes: La cementación, cianuración, carbonitruración, nitruración, 
sulfinización, temple local, el deposito por soldadura de delgadas capas 
superficiales de acero de elevado contenido de carbono y el cromado duro. 
 
La cementación que es el más antiguo de todos esos procedimientos de 
endurecimiento superficial, consiste en aumentar el contenido de carbono en la 
superficie de las piezas de acero, rodeándolos con un medio carburante, y 
manteniendo todo el conjunto durante un cierto tiempo a elevada temperatura. 
Luego se templan las piezas y quedan con gran dureza superficial. 
 
Se pueden emplear cementantes sólidos, líquidos y gaseosos, oscilando la 
duración de la cementación de 6 a 10 horas, cuando se utilizan cementantes 
sólidos, de 1 a 6 horas cuando se trata de sales o cementantes líquidos y de una 
hora a varios días utilizando cementantes gaseosos. 
 
En la construcción de los engranajes, cigüeñales, flechas, levas, etc. para 
vehículos, en los que las cargas específicas son elevadas, fundamentalmente se 
emplean aceros de cementación, siendo la máxima importancia los procesos de 
transformación metalúrgica y mecanización. 
 
Las calidades de engranajes, cigüeñales, flechas, etc., con que se trabajan en la 
industria de la automoción, imponen que las deformaciones que se producen 
inevitablemente en el tratamiento térmico encajen dentro del campo de dispersión 
permisible, especialmente en errores de perfil, salto y alabeo, siendo pues, 
 
INTRODUCCIÓN 
 
SEPI-ESIME-IPN 2006 2 
circunstancia esta a tener en cuenta en la elección y selección de aceros 
destinados a la fabricación de piezas. 
 
Al elegir un acero con destino a la fabricación de estas piezas se ha de tener en 
cuenta los factores de forma y dimensión, ya que los valores de resistencia 
superficial, características fundamental, entre otras en los engranes, cigüeñales, 
flechas, etc., es tan fuertemente influenciadas por el factor de masa. En el acero 
elegido deben de concurrir una serie de características que garantizan las 
condiciones de servicio y de transformación a las que hemos aludido, y que 
estimamos más importantes: 
 
• Capacidad de absorción de carbono a las temperaturas del ciclo de 
cementación elegido, asegurando las profundidades prefijadas. 
• Resistencia mecánica a las solicitaciones de servicio. 
• Templabilidad del acero. 
• Maquinabilidad. 
• Propensión a las deformaciones en el tratamiento térmico (cementación-
temple). 
• Tamaño de grano. 
 
Tratar de definir, en el momento de la elección del acero para la fabricación de los 
elementos de máquina o partes de herramientas, es un conjunto de 
características, tales como las expuestas, presupone un conocimiento del acero 
en cuestión, obligando en muchos casos a un previo estudio del mismo para fijar 
las limitaciones de su aceptación. 
 
La tendencia con posición de los aceros destinados a la construcción de los 
elementos de maquinaría o partes de herramientas, los aceros que comúnmente 
se utilizan para cementar, son: aceros al Cr-Ni-Mo y Cr-Mo, en ámbitos de la 
industria metal-mecánica. 
 
El presente trabajo se divide en los siguientes capítulos: 
 
Capítulo1.Describir los mecanismo que intervienen en la difusión de la materia en 
el estado sólido a través de la superficie de los materiales que van a cementarse, 
para incrementar su contenido de carbono y hacerla más resistente al desgaste o 
fricción. 
 
Capitulo 2. Desarrolla el proceso de cementación sólida mediante el cual se va a 
suministrar el carbono, considerando las diferentes variables que conlleva el 
proceso. 
 
Capítulo 3. Desarrolla el proceso térmico complementario que se le debe dar al 
material para que desarrolle al máximo sus propiedades superficiales y obtener un 
núcleo tenaz y así evitar el desgaste superficial de los materiales. 
 
INTRODUCCIÓN 
 
SEPI-ESIME-IPN2006 3 
Capítulo 4. Se describen los diferentes fenómenos de desgaste que están sujetos 
los materiales y así como su protección. 
 
 
 
Es importante mencionar que en la SEPI ESIME se han realizado algunos trabaj
de investigación relacionados con la aplicación y caracterización 
recubrimientos, el equipo de trabajo dirigido por la maestra Alla Kabastkaia reali
y caracterizo recubrimientos de borurado en piezas mecánicas utilizadas en 
industria que maneja agua a alta presión, por otro lado el equipo dirigido por el D
Manuel Vite, se ha abocado a la tarea de aplicar recubrimientos duros, pa
posteriormente realizarles pruebas de desgaste, entre estos tenem
recubrimientos de borurado, recubrimientos duros aplicados por medio 
soldadura, cromo duro, tratamientos de temple en aceros para herramienta, a
Capítulo 5. Presenta los resultados experimentales obtenidos de las pruebas 
efectuadas, incluyendo el análisis de dureza, tratamiento térmico, ensayos 
mecánicos, análisis metalográfico con microscopio óptico y electrónico de barrido, 
análisis químico del acero SAE 1018 al carbono y SAE 8620 acero aleado grado 
maquinaria. 
os
de
zo
la
r.
ra
os 
de
sí
mismo, las pruebas de desgaste han sido realizadas en condiciones secas y
h úmedas utilizando arena sílica, de erosión, por contacto de rodadura, perno
obre disco, pero, no se ha aplicado, caracterizado y analizado el tratamiento
rmoquímico de cementado en ningún trabajo conocido, como se realizo en el
resente trabajo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
s 
te 
p 
 
T. Burakowski y P. Goeuriot, F.[1,2], en un estudio comparativo realizado en un 
acero SAE 4140, se aplicaron capas de recubrimiento de carburizado, nitrurado, 
borurado y cromado, se investigó las propiedades tribológicas de las mismas, se 
encontró que las propiedades tribológicas dependen de las fases presentes en la 
superficie, así mismo, se encontró que el espesor es un factor a tomar en cuenta, 
ya que a la presión aplicada existió un comportamiento marcadamente diferente, 
el recubrimiento con cromo tuvo mayor resistencia al desgaste, el borurado exhibió 
mayores propiedades tribológicas, se observo además que arriba de 400 Mpa. El 
desgaste se aceleraba en todos los casos, la capa más afectada fue la 
carburizada, esto se corrigió adelgazándola de 0.1 a 0.2 mm, con esto se remueve 
la zona superficial que muestra la más baja resistencia al desgaste por fricción, se 
encontró que se mejoran las propiedades antifricción en todos los casos puliendo 
las superficie porosa cerca de 0.02 mm. 
 
Dodoma, Porat, Graham, Cáliz [3, 4, 5, 6, 7], analizaron las herramientas de corte 
bajo un número muy grande de mecanismos de desgaste, considerados 
responsables del daño en las mismas, para mejorar el rendimiento se pensó en 
recubrir los materiales mediante cementado con carburos duros, nitruros y óxidos. 
Los métodos disponibles fueron: depositación química de vapor y proceso de 
depositación física de vapor. La depositación química de vapor se considera como 
 
INTRODUCCIÓN 
 
SEPI-ESIME-IPN 2006 4 
el proceso más productivo de recubrimiento de carburos cementados, esto se 
realizó a una temperatura menor de 1000ºc. Los materiales más utilizados para 
recubrir son Carburo de titanio, nitruro de Titanio, Carbonitruro de Titanio y Oxido 
de Aluminio, estos materiales resisten varias mecanismos de desgaste, la vida de 
las herramientas de corte se incrementa hasta en un 50% con carburo de Titanio, 
utilizado como recubrimiento en un acero 1045, se encontró que la resistencia al 
desgaste esta en función del espesor de la capa y de la temperatura de trabajo de 
la herramienta. 
 
Vidales y colaboradores [8] reportan el recubrimiento de acero para uso en la 
industria hidroeléctrica, mediante la aplicación de carburo de tungsteno en polvo 
aplicado mediante pistola de inyección de alta velocidad y temperatura controlada, 
alcanzaron durezas de hasta 45 Rc, con lo cual reportan se reduce la erosión 
superficial de los componentes en servicio, se encontró también que la humedad 
ambiental juega un papel muy importante en el proceso de aplicación, y la dureza 
esta en relación directa con el espesor de capa aplicada. 
 
El borizado es un tratamiento termoquímico superficial que genera capas de alta 
dureza resistentes al desgaste, que suelen ser muy frágiles, Kabatskaia y col. [9], 
realizaron el proceso de borizado en aceros AISI 1045 y 8620, variando los 
medios de enfriamiento en agua, aceite y aire, encontraron valores de dureza 
superficial de hasta 1682 Vickers en el acero 8620, y de hasta 1830 en el acero 
1045, siendo durezas no homogéneas en la superficie de las probetas, también 
observaron que los medios de enfriamiento influyen en la distribución de las fases 
duras en la superficie, siendo más homogéneas en el caso de enfriamiento con 
agua y que la capa borizada propaga fácilmente el crecimiento de grieta debido a 
la fragilidad de la capa presente. 
 
L. F. Zagonel y col. [10]. Informan de la influencia de la temperatura (260 a 510 ºc) 
en la microstructura y dureza de un acero AISI H13 en un proceso de nitruración 
asistido por plasma pulsado. Los resultados experimentales muestran que la 
penetración de nitrógeno en el cuerpo esta representado por la Ley de 
temperatura activación, incluso a temperaturas más bajas estudiadas, la difusión 
entre los límites de grano causa que el nitrógeno se mueva relativamente más 
profundo en la muestra. La microstructura fue estudiada por análisis de difracción 
con rayos X a un ángulo de incidencia de acuerdo con la ley de Bragg, así mismo, 
para determinar la influencia del nitrógeno en la morfología del material, la 
superficie frontal, la nano identación del perfil fue utilizada para evaluar el efecto 
de la temperatura en la dureza del material nitrurado. 
 
 N. N. Rammo, O. G. Abdula [11], la predicción de los parámetros de Austenita y 
martensita intersticiales en un hierro – carbono, están dados como una función de 
la concentración y temperatura, el modelo se basa en dos supuestos, el cambio en 
los parámetros de red de la fase hierro puro es debido a la ocupación por átomos 
de carbono en los vacíos en la austerita fcc y la martensita bct, y en el cambio 
 
INTRODUCCIÓN 
 
SEPI-ESIME-IPN 2006 5 
relativo de la longitud y concentración de vacancias en los sitios de la red que 
están en equilibrio térmico. Los parámetros de red predichos de la martensita Fe – 
C están de acuerdo con los datos experimentales, sin embargo, los 
procedimientos de preparación de la austenita a temperatura ambiente, causa 
defectos en el cristal, lo que hace caer los valores experimentales por 0.25% del 
valor ideal predicho. 
 
J. Göken y col. [12], el concepto de graduación funcional de materiales permite 
una variación continua de sus propiedades mecánicas por el cambio de 
microstructura, esto puede obtenerse por un tratamiento térmico local conveniente 
para al producción de propiedades mecánicas deseadas. En este estudio, se 
investiga, el comportamiento mecánico en términos de amortiguamiento y 
frecuencia de resonancia de árboles de transmisión y su respuesta a la excitación. 
Los árboles están hechos de acero cementado al CrNiMo, se evaluó la graduación 
funcional por tratamiento térmico local y su respuesta de amortiguación frente a la 
vibración, se obtuvieron micrografías y se observo que es exitosa la manipulación 
de la microstructura por medio del tratamiento térmico, ya sea para obtener 
martensita, cementita o austenita, o alguna otra fase que fuese necesaria.CAPÍTULO 1 DIFUSIÓN EN EL ESTADO SÓLIDO 
 
SEPI-ESIME-IPN 2006 
 
 
 
1 
 
 
 
 
 
 
DIFUSIÓN EN EL ESTADO SÓLIDO 
 
 
 
 
 
 VACANCIA ÁTOMO INTERSTICIAL 
 
 ÁTOMO NORMAL ÁTOMO DIFUSOR 
 
 
 
En este capítulo se explicará el proceso y mecanismos de difusión que se 
llevan a cabo en el estado sólido, para enriquecer la superficie de carbono y 
hacerla más resistente al desgaste. 
 
 
 
 
 
 
 6 
 
CAPÍTULO 1 DIFUSIÓN EN EL ESTADO SÓLIDO 
 
SEPI-ESIME-IPN 2006 
 
 
 7 
1.1 INTRODUCCIÓN. 
 
La difusión puede ser definida como el mecanismo por el cual la materia es 
transportada por la materia. Los átomos de gases, líquidos y sólidos están en 
constante movimiento y se desplazan en el espacio tras un período de tiempo. En 
los gases, el movimiento de los átomos es relativamente veloz, tal efecto se puede 
apreciar por el rápido avance de los olores desprendidos por un solvente o el de 
las partículas de humo. En los líquidos, los átomos poseen un movimiento más 
lento, esto se pone en evidencia en el movimiento de las tintas que se disuelven 
en agua líquida. El transporte de masa en gases y líquidos se origina 
generalmente debido a una combinación de convección (movilización de fluido) y 
difusión. En los sólidos, estos movimientos atómicos quedan restringidos (no 
existe convección), debido a los enlaces que mantienen los átomos en las 
posiciones de equilibrio, por lo cual el único mecanismo de transporte de masa es 
la difusión. Sin embargo las vibraciones térmicas que tienen lugar en sólidos 
permiten que algunos átomos se muevan. La difusión de los átomos en metales y 
aleaciones es particularmente importante si consideramos el hecho de que la 
mayor parte de las reacciones en estado sólido llevan consigo movimientos 
atómicos; como ejemplo se pueden citar la formación de núcleos y crecimiento de 
nuevos granos en la recristalización de un metal trabajado en frío y la precipitación 
de una segunda fase a partir de una solución sólida. 
 
 
1.2 Mecanismos de difusión. 
 
1.2.1 Mecanismo de difusión por vacancias o sustitucional: 
 
Los átomos pueden moverse en las redes cristalinas desde una posición a otra si 
hay suficiente energía de activación, proporcionada ésta por la vibración térmica 
de los átomos, y si hay vacancias u otros defectos cristalinos en la red para que 
los átomos se puedan desplazar a otras posiciones, como se muestra en la figura 
1.1. Las vacancias en los metales son defectos en equilibrio, y por ello algunos 
están siempre presentes para facilitar que tenga lugar la difusión sustitucional de 
los átomos. Según va aumentando la temperatura del metal se producirán más 
vacancias y habrá más energía térmica disponible, por tanto, el grado de difusión 
es mayor a temperaturas más altas. 
 
Las siguientes condiciones favorecen la difusibilidad de un elemento en otro. 
 
• Los diámetros de los átomos de los elementos no deben diferir, no más de 
un 15 % aproximadamente. 
• Las estructuras cristalinas de los dos elementos tiene que ser la misma. 
• No debe haber diferencia apreciable en la electronegatividad de los dos 
elementos para evitar que reaccionen y puede formar compuestos. 
• Los dos elementos debieran tener la misma valencia. 
 
CAPÍTULO 1 DIFUSIÓN EN EL ESTADO SÓLIDO 
 
SEPI-ESIME-IPN 2006 
 
 
Figura 1.1 Energía de activación asociada con el movimiento de los átomos en un metal. 
 
 
La energía de activación para la difusión propia es igual a la suma de la energía 
de activación necesaria para formar una vacante y la energía de activación 
necesaria para el desplazamiento hacia una posición vacante. 
 
La vacancia promedio tiene solo una vida limitada en el metal, ya que las 
vacancias se están creando y destruyendo continuamente en las superficies, en 
límites de grano y en las posiciones interiores, tales como las dislocaciones. 
 
La siguiente tabla 1.1 presenta la relación de algunas energías de activación para 
el auto difusión en metales puros. 
 
 
Tabla 1.1 Energía de activación de autodifusión para algunos metales puros.[18] 
 
Metal Punto de fusión, °c
Rango de 
temperatura 
estudiado, °c
Estructura
Cristalina
Energía de
Activación, 
KJ/mol
Cinc 419 240 - 418 HC 91.6 
Aluminio 660 400 - 610 FCC 165 
Cobre 1083 700 - 990 FCC 196 
Níquel 1452 900 - 1200 FCC 293 
Hierro 1530 808 - 884 BCC 240 
Molibdeno 2600 2155 - 2540 BCC 460 
 
 
 
 
 8 
 
CAPÍTULO 1 DIFUSIÓN EN EL ESTADO SÓLIDO 
 
SEPI-ESIME-IPN 2006 
Se pude observar que a medida que incrementa el punto de fusión del material, la 
energía de activación también aumenta. Esto se da porque los metales con 
temperatura de fusión más alta, tienden a mayores energías de enlace entre sus 
átomos. 
 
 
1.2.2 Mecanismo de difusión intersticial. 
 
La difusión intersticial de los átomos en redes cristalinas tiene lugar cuando los 
átomos van desde una posición intersticial a otro intersticio vecino sin desplazar 
de manera permanentemente a ninguno de los átomos de la red cristalina matriz, 
como se observa en la figura 1.2. Para que el mecanismo sea efectivo, el tamaño 
de los átomos que se difunden debe ser relativamente pequeño comparado con el 
de los átomos de la matriz. Átomos pequeños como los de hidrógeno, oxígeno, 
nitrógeno y carbono pueden difundirse intersticialmente en algunas redes 
cristalinas metálicas. El carbono puede difundirse intersticialmente en hierro alfa 
BCC y en hierro gamma FCC, (figura 1.3). En la difusión intersticial de carbono en 
hierro, los átomos de carbono deben pasar, entre los átomos de la matriz de 
hierro. 
 
 
 
 
 
Figura 1.2. Solución sólida intersticial los átomos grandes representan átomos sobre un 
plano (100) de un retículo cristalino FCC. 
 
 
 
 
 9 
 
CAPÍTULO 1 DIFUSIÓN EN EL ESTADO SÓLIDO 
 
SEPI-ESIME-IPN 2006 
 
 
 
Figura 1.3 Solución sólida intersticial de carbono en hierro gamma FCC. 
 
 
1.3 Difusión en estado estacionario. 
 
Consideremos la difusión de átomos de soluto en la dirección del eje X entre los 
planos paralelos perpendicular a la hoja, separados una distancia X, como se 
observa en la figura 1.4. Supongamos que después de un período de tiempo la 
concentración de los átomos en el plano 1 es C1 y en el punto 2 es C2. Esto 
significa que para el sistema con el tiempo no se produce cambios en la 
concentración de soluto en estos planos. Estas condiciones de difusión se 
conocen como condiciones en estado estacionario. Este tipo de difusión tiene 
lugar cuando un gas no reactivo se difunde a través de una lámina metálica. Las 
condiciones de difusión de estado estacionario se alcanzan cuando el gas 
hidrógeno se difunde a través de una lámina de paladio, si el gas hidrógeno se 
encuentra a mayor presión a un lado de la lámina de paladio con respecto al otro 
lado. 
 
 
 
 10 
 
CAPÍTULO 1 DIFUSIÓN EN EL ESTADO SÓLIDO 
 
SEPI-ESIME-IPN 2006 
 
 
 
Figura 1.4 Difusión en estado estacionario de átomos con un gradiente de 
concentración.[18] 
 
 
1.3.1 Primera Ley de Fick. Si en el sistema de difusión mostrado en la figura 1.4 
no ocurre interacción química entre los átomos de soluto y los del disolvente y 
existe una diferencia de concentración entre los planos 1 y 2 , se producirá un flujo 
neto de átomos de la parte de concentración más alta a la parte más baja. La 
densidad de flujo se representa en este tipo de sistemamediante la ecuación. 
 
 
dX
dCDJ −= 1.1 
 
Donde: J Se define como el flujo neto de átomos (en este caso, los átomos de 
carbono), y tiene unidades de kg/m2 -seg. o de átomos/m2-seg. Puede decirse que 
el flujo es la velocidad a la cual cruzan los átomos un área unitaria. 
 
 
dX
dC Gradiente de concentración. 
 
 
 
 
 11 
 
CAPÍTULO 1 DIFUSIÓN EN EL ESTADO SÓLIDO 
 
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D. Es simplemente la constante de proporcionalidad y se le llama coeficiente de 
difusión. Sus unidades son m2/seg. 
Se emplea un signo negativo debido a que la difusión tiene lugar de una 
concentración mayor a una menor, es decir, existe un gradiente de difusión 
negativo. Esta ecuación es llamada primera Ley de Fick y afirma que para 
condiciones de flujo en estado estacionario, la densidad de flujo neto de átomos es 
igual a la difusividad D por el gradiente de concentración dC/dX. Las unidades son 
las siguientes en el sistema internacional: 
 
 
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ ×⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
=⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
× mm
Atomos
dX
dC
s
mD
sm
AtomosJ 13
2
2 1.2 
 
 
1.4 Difusión en estado no estacionario. 
 
El estado estacionario, en el cual las condiciones permanecen invariables con el 
tiempo, no se presenta con frecuencia en aplicaciones de ingeniería. En la 
mayoría de los casos, la difusión es en estado no estacionario, en la cual la 
concentración de los átomos de soluto en cualquier punto del material cambia con 
el tiempo, es la que tiene lugar. Por ejemplo si se difunde carbono en la superficie 
de un árbol de levas de acero para endurecer su superficie, la concentración de 
carbono bajo la superficie de cualquier punto cambiará con el tiempo a medida 
que el proceso de difusión avanza. 
 
 
1.4.1 Segunda Ley de Fick. Para los casos de difusión en estado no estacionario, 
en los que el coeficiente de difusión es independiente del tiempo, se aplica la 
segunda Ley de difusión de Fick. 
 
 
 ⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛=
dx
dCxD
dx
d
dt
dCx 1.3 
 
 
Esta ley establece que la velocidad de cambio de la composición de la muestra es 
igual a la difusividad por la velocidad de cambio del gradiente de concentración. La 
derivación y resolución de esta ecuación diferencial se realiza con ayuda de la 
transformada de Laplace. La solución particular, en la cual un gas se difunde en 
un sólido, es de gran importancia en aplicaciones de Ingeniería y se utiliza para 
resolver problemas prácticos de difusión industrial. 
 
La aplicación más importante en metalurgia de los principios de difusión es la 
carburización del acero, cuyo objetivo es crear una capa superficial rica en 
carbono en la superficie, y de una dureza elevada, sobre la pieza de acero de bajo 
 
 
 12 
 
CAPÍTULO 1 DIFUSIÓN EN EL ESTADO SÓLIDO 
 
SEPI-ESIME-IPN 2006 
carbono. Los aceros de cementación contienen normalmente 0.25% de carbono 
como máximo. Su contenido de carbono es a menudo inferior a 0.20%. Los 
contenidos máximos obtenidos en la superficie están entre 0.70% y 1.10%, de 
ellos 0.80% es el más empleado. 
 
Si se supone que un gas carburizante penetra en una barra de acero, a medida 
que el tiempo de difusión aumenta, la concentración de átomos de soluto en 
cualquier punto del sólido en la dirección X también aumentará. 
 
La relación entre la profundidad de penetración y el tiempo de carburización se 
puede calcular a partir de la solución de la segunda ley de Fick: 
 
 
 
 
 13 
 
 1.4 
 
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛=
−
−
Dt
Xferror
CC
CC
os
xs
2
 
CS . Máxima concentración producida inmediatamente en la superficie (dada 
 por el diagrama de fases Fe-C). 
Co. Concentración inicial de carbono en el acero. 
CX . Concentración de carbono a la distancia X debajo de la superficie en el 
 tiempo t. 
X Distancia desde la superficie. 
D. Coeficiente de difusión del C en Fe a la temperatura del proceso. 
t. Tiempo. 
ferr . Función error. 
 
La función error , es una función matemática que existe por definición y se 
usa en algunas soluciones de la segunda ley de Fick. La siguiente tabla es una 
versión abreviada de la función error. 
ferr
 
Tabla No. 1.2 Tabla de la función error.[18] 
Fuente: R. A. Flinn y P. K. Trojan <Engineering Materials and Their Applications>2a ed. Houghton Mifflin, 1981. 
Z fer z z fer z z fer z z fer z 
0 0 0.40 0.4284 0.85 0.7707 1.6 0.9763 
0.025 0.0282 0.45 0.4755 0.90 0.7970 1.7 0.9838 
0.05 0.0564 0.50 0.5205 0.95 0.8209 1.8 0.9891 
0.10 0.1125 0.55 0.5633 1.0 0.8427 1.9 0.9928 
0.15 0.1680 0.60 0.6039 1.1 0.8802 2.0 0.9953 
0.20 0.2227 0.65 0.6420 1.2 0.9103 2.2 0.9981 
0.25 0.2763 0.70 0.6778 1.3 0.9340 2.4 0.9993 
0.30 0.3286 0.75 0.7112 1.4 0.9523 2.6 0.9998 
0.35 0.3794 0.80 0.7421 1.5 0.9661 2.8 0.9999 
 
CAPÍTULO 1 DIFUSIÓN EN EL ESTADO SÓLIDO 
 
SEPI-ESIME-IPN 2006 
 
 
 14 
1.5 Factores que afectan la difusión. 
 
1.5.1 Tipo de mecanismo de difusión. 
 
El hecho de que la difusión sea intersticial o sustitucional afectará la 
difusividad. Los átomos pequeños pueden difundirse intersticialmente en la red 
cristalina de átomos mayores del solvente. De esta manera los átomos de carbono 
se difunden intersticialmente en la red BCC o FCC. Los átomos de cobre pueden 
difundirse sustitucionalmente en una red de aluminio siempre y cuando los átomos 
de cobre y aluminio sean aproximadamente iguales. 
 
 
1.5.2 Temperatura a la cual ocurre la difusión. 
 
La temperatura afecta en gran manera el valor de la difusividad. Si aumenta la 
temperatura la difusividad también se ve incrementada, tal y como se muestra en 
la Tabla 1.3, para los sistemas FCC y BCC y los metales no ferrosos, por 
comparación de los valores a 500 °c y con valores a 1000 °c. 
 
 
1.5.3 Estructura cristalinas. 
 
La estructura cristalina BCC que posee un factor de empaquetamiento de 0.68 
ayuda a que la difusividad sea mayor que una red FCC que posee un factor de 
empaquetamiento de 0.74. De esta manera los átomos de carbono se pueden 
difundir más fácilmente en una red de hierro BCC que una red FCC. 
 
 
1.5.4 Imperfecciones cristalinas. 
 
La mayoría de estructuras abiertas permiten una difusión más rápida de los 
átomos. Por ejemplo, la difusión tiene lugar más rápidamente a lo largo de los 
límites de grano que en la matriz del mismo, en metales y cerámicos. Las 
vacantes en exceso incrementarán las velocidades de difusión en metales y 
aleaciones. 
 
 
1.5.5 Concentración de componentes. 
Es importante, ya que mayores concentraciones de los átomos de soluto que 
difunden aumentarán el coeficiente de difusión. Este aspecto de la difusión en 
estado sólido es muy complejo. 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO 1 DIFUSIÓN EN EL ESTADO SÓLIDO 
 
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TABLA No. 1.3 Difusividad a 500 °c y 1000 °c para sistemas seleccionados de difusión 
soluto – disolvente. 
 
SOLUTO DISOLVENTE 
 
(estructura huésped) 
Coeficiente de difusión 
 m2 / s 
 
 550 °C 1000 °C 
*El paréntesis indica que la fase es metaestable. 
 (930 °F) (1830 °F) 
Carbón Hierro FCC (5 X 10 -15)* 3 X 10 -11
Carbón Hierro BCC 10 -15 (2 X 10-8) 
Hierro Hierro FCC (2 X 10 -23 ) 2 x 10-16
Hierro Hierro BCC 10-25 ( 3 x 10-14) 
Níquel Hierro FCC 10-25 2 x 10-16
Manganeso Hierro FCC (3 x 10 -24) 10-16
Zinc Cobre 4 x 10 -18 5 x 10-13
Cobre Aluminio 4 x 10 -14 10-10 M 
Cobre Cobre 10 -15 2 x 10-13
Plata Plata (cristal)10 -17 10-12 M 
Plata Plata (límite de grano) 10 -11 ----------- 
Carbón Titanio 3 x 10 -16 (2 x 10-11) 
M.- Calculado, aunque la temperatura este por encima del punto de fusión. 
Fuente: L H. Van Vlack, Elements o materials science and engineering 5ª. Ed. ADDISON-WESLEY. 
 
 
 
1.6 Descripción del proceso de cementación sólida. 
 
La mayor parte de las piezas que componen las máquinas y motores, se fabrican 
de forma que sus propiedades mecánicas sean bastante uniformes en toda la 
masa. Sin embargo, en ciertos mecanismos es necesario que algunas piezas 
tengan superficies muy duras, resistentes al desgaste y a la penetración, y el 
núcleo central muy tenaz, para poder soportar los choques a que están sometidas. 
Los procedimientos más usados en la actualidad para, conseguir estas 
características, gran dureza y mucha tenacidad, al parecer opuestas entre si, son 
los siguientes: la cementación, la cianuración, la carbonitruración, la nitruración, la 
suIfinización, el temple local, el depósito por soldadura de delgadas capas 
superficiales de aceros de elevado contenido en carbono y el cromado duro. 
 
La cementación sólida, que es el más antiguo de todos esos procedimientos de 
endurecimiento superficial, consiste en aumentar el contenido en carbono en la 
superficie de las piezas de acero, rodeándolas con un medio carburante, y 
manteniendo todo el conjunto, durante un cierto tiempo a elevada temperatura. 
Luego se templan las piezas y quedan con gran dureza superficial. 
 
Se pueden emplear cementantes sólidos, líquidos y gaseosos, oscilando la 
duración de la cementación de 6 a 10 horas cuando se utilizan cementantes 
 
 
 15 
 
CAPÍTULO 1 DIFUSIÓN EN EL ESTADO SÓLIDO 
 
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 16 
sólidos, de 1 a 6 horas cuando se trata de sales o cementantes líquidos, y de 1 
hora a varios días, utilizando cementantes gaseosos. 
 
 
1.7 Planteamiento del problema. 
 
La preparación de materiales para partes de máquinas y herramientas que están 
sujetas a requerimientos de resistencia al desgaste, al impacto, etc., requiere la 
aplicación de un tratamiento termoquímico para la mejora superficial de las 
propiedades como por ejemplo la reducción del desgaste y resistencia a la fricción. 
La elección del mejor tratamiento superficial depende del comportamiento de 
muchos factores, como son las propiedades de difusión del material, las 
condiciones de trabajo y los efectos técnico-económicos involucrados. 
 
La difusión en la capa superficial diversifica la estructura molecular del material, 
los cambios en la composición química, microestructura y frecuentemente en la 
composición de las fases, aparecen en áreas de estas mismas capas causando la 
diversificación de las propiedades en zonas particulares. No siempre todas las 
capas son utilizadas durante la explotación de la parte o de la herramienta. Esto 
se conecta en alguna parte con el desgaste permisible, en otra parte, 
frecuentemente se remueve parte de la capa para obtener el dimensionamiento 
correcto. 
 
Es por esto, que en este trabajo de investigación, se pretende analizar el 
comportamiento de un acero SAE 1018 y 8620, utilizado ampliamente en partes 
de maquinaria y herramientas, cementándolo bajo diferentes condiciones de 
tiempo de exposición a la mezcla de carbón vegetal y carbonato de bario, a 
temperatura constante y aplicando tratamiento térmico posteriormente para 
modificar la estructura molecular obtenida y eliminar las tensiones internas 
generadas, posteriormente analizar mediante microscopia los cambios en su 
estructura molecular y como estos cambios afectan las propiedades de dureza 
superficial y resistencia al desgaste. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO 1 DIFUSIÓN EN EL ESTADO SÓLIDO 
 
SEPI-ESIME-IPN 2006 
 
 
 17 
 1.8 Referencias bibliográficas. 
 
 
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CAPÍTULO 1 DIFUSIÓN EN EL ESTADO SÓLIDO 
 
SEPI-ESIME-IPN 2006 
 
 
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CAPÍTULO 2 PROCESO DE CEMENTACIÓN SÓLIDA 
 
 
 
SEPI-ESIME-IPN 200619 
2 
 
 
 
PROCESO DE CEMENTACIÓN 
SÓLIDA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
En este capítulo se describe el proceso de cementación sólida que se utilizó 
para enriquecer la superficie de carbono en una pieza de acero, que va a 
estar sometida a un fenómeno de desgaste. 
 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO 2 PROCESO DE CEMENTACIÓN SÓLIDA 
 
SEPI-ESIME-IPN 2006 
 
 
20
.1 Introducción. 
on de bajo contenido en carbono, que 
ontienen entre 0.10 a 0.25 % de carbono. 
 
ariar considerablemente dependiendo de la aplicación en que van ser utilizados 
.2 Proceso de cementación sólida. 
 calcinados, cuero, coke, etc., mezclados con carbonato de 
ario, calcio y sodio. 
on carbonatos alcalinos o alcalino-térreos, se 
lcanza hasta 1.20 % de carbono. 
aciones 
cales y luego a puntos blandos en las piezas después del último temple. 
 
2
 
Muchos componentes fabricados en acero y sometidos a rotación o deslizamiento, 
tales como partes de maquinaría, deben tener una superficie dura para resistir el 
desgaste y un núcleo interno tenaz para resistir la fractura. En la fabricación de 
componentes de acero cementados, normalmente el componente se mecaniza 
primero en condiciones de fácil maquinado, y luego, después de mecanizado, la 
capa más externa se endurece por algún tratamiento de endurecimiento como el 
de cementación. Los aceros cementados s
c
 
Sin embargo el contenido de elementos de aleación de aceros cementados puede
v
 
 
2
 
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
b
 
El carbón sólo, no se emplea porque con él no se suelen conseguir 
concentraciones de carbono en la periferia del acero, superiores a 0.65 % de 
carbono. Mezclándolo en cambio c
a
 
Durante muchos años, uno de los cementantes más utilizados fue la mezcla 
Carón preparada con 60 % de carbón vegetal y 40 % de carbonato bárico. El 
carbón se tritura en trozos de 3 a 6 mm de diámetro y luego se mezcla con el 
carbonato bárico en polvo. Recientemente se ha comprobado que se puede 
disminuir el contenido de carbonato bárico, obteniéndose muy buenos resultados 
con porcentajes de 10 a 15 %, sin que pierda efecto sensible la acción carburante 
de la mezcla; bajando en cambio de 8 %, el rendimiento disminuye ya 
notablemente. Se suele añadir también un 20 % de coke como diluyente, porque 
aumenta la velocidad de penetración del calor a través del compuesto carburante, 
permite obtener rápidamente temperaturas uniformes en el interior de las cajas y 
disminuye él coste de la mezcla. Como activadores también se suelen emplear el 
carbonato cálcico y el carbonato sódico. Es importante que el carbón esté bien 
seco, porque pequeñas trazas de humedad, pueden dar lugar a descarbur
lo
 
 
CAPÍTULO 2 PROCESO DE CEMENTACIÓN SÓLIDA 
 
SEPI-ESIME-IPN 2006 
 
 
21
 rápidamente. La 
xperiencia ha demostrado que el carbono naciente que se forma en el interior de 
entación. 
El proceso de cementación s n carbono vegetal, coque y 
carbonato de sodio, se explica de la siguiente forma: 
2 = 2CO 
Luego el óxido de carbono formado se descompone a elevada temperatura en 
 
El carbono naciente que se fo e la cementación, al estar en 
ontacto con el hierro a alta temperatura se combina. 
la capa cementada aumenta con la temperatura y con la 
uración de la cementación y depende también de la actividad del carburante 
se verifica con idéntica velocidad en los 
iferentes tipos de aceros, en la práctica industrial no son muy sensibles las 
diferencias entre las penetraciones que se consiguen en los aceros al carbono y 
los aceros al níquel, cromo-níquel, etc. 
 
Pero se ha comprobado que la transferencia del carbono al acero, se verifica, al 
penetrar el carbono del cementante sólido a través de la superficie del acero y 
difundirse luego hacia el interior. 
Siempre por medio de los gases que se desprenden al calentarse las mezclas 
cementantes a alta temperatura, siendo en estos procesos el óxido de carbono el 
principal agente carburante. Si se coloca un trozo de acero rodeado de materias 
carburantes y se calienta a 925°c en el vacío, de forma que no haya gases a su 
alrededor, el acero no absorbe carbono. Para que la cementación se verifique, ha 
de ponerse el carbono en contacto con la superficie del acero caliente en un 
estado adecuado para que se verifique la absorción. El éxito de la cementación, 
depende en gran parte de la aptitud del medio carburante para suministrar y 
rodear la superficie del acero con carbono, en un estado que se puede llamar 
activo, de tal naturaleza que su absorción por el acero se efectúe
e
las cajas de cementación al descomponerse el óxido de carbono, se encuentra en 
un estado muy favorable para que se produzca la cem
 
ólida se prepara, co
 
2C + O
 
carbono naciente y dióxido de carbono. 
2CO = C + C O2 
rma es el que produc
c
 
C + 3Fe = CFe3 
 
 
La profundidad de 
d
empleado y de la composición del acero que se va a cementar, como se indica en 
la figura. 2.1 y 2.2. 
 
Aunque la penetración del carbono no 
d
 
CAPÍTULO 2 PROCESO DE CEMENTACIÓN SÓLIDA 
 
 
 
 
Figura 2.1. Profundidad de la penetración del carbono (capa cementada) que se consigue a 
diferentes temperaturas en función de las horas de cementación. 
 
 
La absorción del carbono por el hierro gamma, es tanto más activa cuanto menor 
sea el porcentaje en carbono del acero. A medida que la carburación progresa, 
cuando el porcentaje de carbono aumenta, la velocidad de absorción disminuye, 
comportándose en ese caso el acero como una solución que se aproxima a su 
grado de saturación. 
 
 
 
 
 
Figura 2.2. Contenido en carbono de la capa cementada, en función de la duración en horas, 
de la cementación, cuando ésta se realiza a 925°. 
 
SEPI-ESIME-IPN 2006 
 
 
22
 
CAPÍTULO 2 PROCESO DE CEMENTACIÓN SÓLIDA 
 
SEPI-ESIME-IPN 2006 
 
 
23
Cementando un acero cromo-níquel de 0,15 % de carbono, 0,50 % de cromo y 1 
% de Níquel, a 925°c con la mezcla Carón de 60 % de carbón vegetal y 40 % de 
carbonato bárico, se obtiene al cabo de 4 horas una profundidad de 0,89 mm y 
una velocidad media de penetración de 0,22 mm por hora. A las 8 horas se llega a 
1,60 mm a las 16 horas, a 2,30 mm. 
 
Cuando la cementación se verifica a bajas temperaturas, la penetración del 
carbono es muy pequeña y en cambio, el porcentaje en carbono de la periferia es 
mayor que cuando se efectúa la cementación a temperaturas próximas a 925°c. 
 
 
2.3 Aceros para cementar. 
 
Entre los diversos factores que deben tenerse en cuenta para la elección de uno u 
otro tipo de acero de cementación, los más importantes a considerar son tres: 
 
• La forma o tamaño de las piezas que se van a fabricar junto con las 
tolerancias de dimensiones que se exigirán a las piezas después del 
temple (ya que en función de las tolerancias que se admitan en las 
deformaciones, se decidirá si el temple se debe hacer en agua, en aceite 
o por algún otro procedimiento y, en consecuencia, estas condiciones 
servirán, en gran parte, para señalar los elementos de aleación que debe 
tener el acero). 
• La resistencia que deben tener las piezas en el núcleo central. 
• El precio que se puede llegar a pagar por el acero. 
 
A pesar de las circunstancias que acabamos de señalar para la selección de los 
aceros de cementación, en la actualidad en muchos