BR102018017111B1

BR102018017111B1 - METHOD OF LOW PRESSURE CARBURIZATION (LPC) OF PARTS MANUFACTURED FROM FERRAL ALLOYS

Info

Publication number: BR102018017111B1
Application number: BR102018017111-9A
Authority: BR
Inventors: Maciej Korecki; Agnieszka BREWKA
Original assignee: Seco/Warwick S.A
Priority date: 2017-08-21
Filing date: 2018-08-21
Publication date: 2023-05-23

Abstract

Um método de carburização em baixa pressão (LPC) de elementos fabricados de ligas de ferro e de outros metais em um dispositivo para o tratamento superficial termoquímico contínuo, em linha, com um intervalo de tempo constante, com saturação em uma temperatura de 820°C a 1200°C em atmosfera gasosa, em que na câmara de vácuo do dispositivo um carregador de carbono gasoso é introduzido usando impulsos em uma sequência de tempo de fluxo constante, sincronizada com o intervalo de tempo de trabalho do dispositivo.A method of low-pressure carburization (LPC) of elements fabricated from ferroalloys and other metals in a device for continuous, in-line, thermochemical surface treatment with a constant time interval, with saturation at a temperature of 820°C at 1200°C in a gaseous atmosphere, where in the vacuum chamber of the device a carbon gas carrier is introduced using pulses in a constant flow time sequence, synchronized with the working time interval of the device.

Description

[0001] O objetivo da invenção é um método de carburização em baixa pressão (LPC - low pressure carburizing) de peças fabricadas de ligas de ferro e de outros metais em um dispositivo para tratamento superficial termoquímico contínuo, em linha, de peças.[0001] The object of the invention is a low pressure carburizing method (LPC - low pressure carburizing) of parts made of iron alloys and other metals in a device for continuous thermochemical surface treatment, in line, of parts.

[0002] A publicação de Patente US 5.205.873 descreve um processo de carburização em baixa pressão em uma câmara de forno aquecida até temperaturas entre 820°C e 1100°C. O processo inicia em uma câmara na qual um vácuo inicial de cerca de 10-1 hPa é gerado, de modo a remover ar. Depois, uma vez que a mesma é enchida com nitrogênio puro, a câmara é carregada com peças que são para sofrer carburização. Depois de carregar a câmara, vácuo é gerado de cerca de 10-2 hPa, e a carga é aquecida até a temperatura de austenitização. Tal temperatura é mantida até que a temperatura seja equalizada dentro da peça a ser carburizada, seguindo que a câmara é enchida com hidrogênio até a pressão de 500 hPa. Subsequentemente, etileno, como um carregador de carbono, é introduzido sob a pressão de 10 a 100 hPa, e uma mistura gasosa é gerada consistindo de hidrogênio e etileno, com o último formando de 2% a cerca de 60% do volume da mistura.[0002] US Patent publication 5,205,873 describes a low pressure carburization process in a furnace chamber heated to temperatures between 820°C and 1100°C. The process starts in a chamber in which an initial vacuum of about 10-1 hPa is generated in order to remove air. Then, once it is filled with pure nitrogen, the chamber is loaded with parts that are to be carburized. After charging the chamber, a vacuum of about 10-2 hPa is generated, and the charge is heated to the austenitizing temperature. Such temperature is maintained until the temperature is equalized inside the part to be carburized, following which the chamber is filled with hydrogen up to a pressure of 500 hPa. Subsequently, ethylene, as a carbon carrier, is introduced under the pressure of 10 to 100 hPa, and a gaseous mixture is generated consisting of hydrogen and ethylene, with the latter forming from 2% to about 60% of the volume of the mixture.

[0003] A publicação de Patente US 6.187.111 B1 descreve um método de carburização de peças fabricadas de aço em uma câmara de forno na qual vácuo de 1 a 10 hPa é gerado, enquanto que a temperatura na qual a carburização ocorre varia de 900°C a 1100°C. Neste método o carregador de carvão é o gás etileno.[0003] The publication of US Patent 6,187,111 B1 describes a method of carburizing parts manufactured from steel in a furnace chamber in which a vacuum of 1 to 10 hPa is generated, while the temperature at which the carburizing takes place ranges from 900 °C to 1100°C. In this method, the coal carrier is ethylene gas.

[0004] As publicações de Patente US 5.702.540 e EP 0 882 811 B1 descrevem os métodos de carburização a vácuo de peças fabricadas de ligas de ferro, realizados em fornos a vácuo em uma pressão de 1 a 50 hPa, onde a atmosfera de carbono é obtida em uma câmara quente de forno de metano, propano, acetileno ou etileno. Estes compostos são usados individualmente ou em misturas. Usualmente, dois métodos são usados para arranjar a saturação de carbono e fases de difusão nestes processos. No primeiro, chamado o método de impulso, a atmosfera de carburização é dosada em ciclos dentro da câmara de vácuo de forno, seguindo que a remoção de produtos de reação ocorre, até que vácuo técnico seja obtido na câmara, que é depois mantido por vários minutos consecutivos. O número de impulsos depende da espessura da superfície carburizada gerada e varia de umas poucas a várias dúzias. O segundo método é um método de injeção, que consiste na dosagem contínua da atmosfera de carburização via um sistema de bocais, diretamente sobre a carga na câmara do forno a vácuo durante a fase de carburização. Durante esta fase, pressão de trabalho constante da atmosfera que carrega carbono é mantida, e uma fase de difusão ocorre depois de cada fase de carburização. O número de ciclos neste método de arranjo varia de um a vários.[0004] US Patent publications 5,702,540 and EP 0 882 811 B1 describe vacuum carburization methods for parts made of iron alloys, carried out in vacuum furnaces at a pressure of 1 to 50 hPa, where the atmosphere of carbon is obtained in a methane, propane, acetylene or ethylene hot chamber furnace. These compounds are used individually or in mixtures. Usually, two methods are used to arrange the carbon saturation and diffusion phases in these processes. In the first, called the impulse method, the carburizing atmosphere is dosed in cycles into the furnace vacuum chamber, following which the removal of reaction products takes place, until a technical vacuum is obtained in the chamber, which is then maintained for several consecutive minutes. The number of pulses depends on the thickness of the generated carburized surface and varies from a few to several dozen. The second method is an injection method, which consists of continuously dosing the carburizing atmosphere via a nozzle system, directly onto the load in the vacuum furnace chamber during the carburizing phase. During this phase, constant working pressure of the carbon-carrying atmosphere is maintained, and a diffusion phase occurs after each carburizing phase. The number of cycles in this arrangement method varies from one to several.

[0005] A publicação de Patente PL 202 271 B1 descreve um método de carburizar peças de aço realizado em fornos a vácuo em uma atmosfera isenta de oxigênio sob pressão reduzida, onde a fase de carburização ocorre na atmosfera de uma mistura de etileno ou propano ou acetileno com hidrogênio, em uma razão volumétrica de 1,5 a 10, com o tempo de 5 a 40 minutos, com uma modulação de pressão de 0,1 kPa a 3 kPa, onde o tempo de aumento da pressão é 3 a 20 vezes mais longo do que o tempo de reduzir a pressão.[0005] Patent publication PL 202 271 B1 describes a method of carburizing steel parts carried out in vacuum furnaces in an oxygen-free atmosphere under reduced pressure, where the carburizing phase takes place in the atmosphere of a mixture of ethylene or propane or acetylene with hydrogen, in a volume ratio of 1.5 to 10, with a time of 5 to 40 minutes, with a pressure modulation of 0.1 kPa to 3 kPa, where the pressure increase time is 3 to 20 times longer than the time to reduce the pressure.

[0006] A publicação de Patente PL 204 747 B1 descreve um método de carburizar peças de aço, principalmente elementos de máquinas, veículos, e outros dispositivos mecânicos, em fornos a vácuo sob pressão reduzida em uma temperatura aumentada. O método de carburizar elementos de aço na pressão reduzida consiste na introdução do carregador de nitrogênio ativo durante o tempo de aquecimento da carga. O processo de introduzir o carregador de nitrogênio ativo para quando a carga atinge a temperatura requerida para o processo de carburização começar, e depois o carregador de carbono é alimentado. Concluído o tempo de introduzir o carregador de nitrogênio ativo, a pressão na câmara de forno deve ser mantida entre 0,1 e 50 kPa.[0006] Patent publication PL 204 747 B1 describes a method of carburizing steel parts, mainly elements of machines, vehicles, and other mechanical devices, in vacuum furnaces under reduced pressure at an increased temperature. The method of carburizing steel elements at reduced pressure consists of introducing the active nitrogen carrier during the charge heating time. The process of introducing the active nitrogen carrier stops when the charge reaches the required temperature for the carburizing process to begin, and then the carbon carrier is fed. Once the time for introducing the active nitrogen carrier has ended, the pressure in the furnace chamber must be maintained between 0.1 and 50 kPa.

[0007] Adicionalmente, um pedido de patente polonês no. P.411158 descreve um forno de câmara múltipla para a carburização a vácuo e extinção com um fluxo em linha de peças processadas através das câmaras de processo conectadas.[0007] Additionally, a Polish patent application no. P.411158 describes a multi-chamber furnace for vacuum carburizing and quenching with an in-line flow of processed parts through connected process chambers.

[0008] De acordo com a invenção, a essência deste método de carburização em baixa pressão (LPC) é a introdução de um carregador de carbono gasoso em uma câmara de processo em uma sequência constante de fluxo e tempo sincronizada com cada mudança das posições da peça, em que uma soleira (hearth) de câmara, na qual várias posições são fornecidas, é equipada com um mecanismo de viga móvel (walking-beam mechanism) para movimento gradual das peças ao longo da câmara de processo no seguinte modo: em cada intervalo de tempo, cada peça passa uma posição para a frente, na direção da saída da referida câmara.[0008] According to the invention, the essence of this low pressure carburization (LPC) method is the introduction of a gaseous carbon carrier into a process chamber in a constant sequence of flow and time synchronized with each change of positions of the workpiece, in which a chamber hearth, in which various positions are provided, is equipped with a walking-beam mechanism for gradual movement of parts along the process chamber in the following mode: at each time interval, each piece passes one position forward, towards the exit of said chamber.

[0009] É preferível quando o carregador de carbono gasoso é introduzido na câmara de processo a cada intervalo de tempo do dispositivo ou omitindo de 1 a 5 intervalos de tempo.[0009] It is preferred when the gaseous carbon carrier is introduced into the process chamber at every time interval of the device or omitting 1 to 5 time intervals.

[0010] Também é preferível quando o carregador de carbono gasoso é introduzido na câmara de processo em uma sequência consistindo de 1 a 5 impulsos por intervalo de tempo.[0010] It is also preferred when the gaseous carbon carrier is introduced into the process chamber in a sequence consisting of 1 to 5 pulses per time interval.

[0011] Também é preferível quando o carregador de carbono gasoso é introduzido na câmara de processo com o fluxo de 0,1 a 100 dm3 por minuto, e com o tempo de pulsação de 1 a 300 segundos.[0011] It is also preferable when the gaseous carbon carrier is introduced into the process chamber with the flow of 0.1 to 100 dm3 per minute, and with the pulsation time of 1 to 300 seconds.

[0012] Além disso, é preferível quando o carregador de carbono gasoso é introduzido na câmara de processo sob pressão absoluta constante entre 0,2 e 10 hPa.[0012] Furthermore, it is preferable when the gaseous carbon carrier is introduced into the process chamber under constant absolute pressure between 0.2 and 10 hPa.

[0013] Adicionalmente, também é preferível que o carregador de carbono gasoso seja um hidrocarboneto, por exemplo, acetileno ou uma mistura de hidrocarbonetos.[0013] Additionally, it is also preferable that the gaseous carbon carrier is a hydrocarbon, for example acetylene or a mixture of hydrocarbons.

[0014] De acordo com a invenção, este modo de carburização permite a formação de camadas carburizadas com uma distribuição ilimitada do gradiente de concentração de carbono resultante de um ajuste dos seguintes parâmetros de processo: temperatura, pressão, duração do intervalo de tempo e impulso, assim como o fluxo do carregador de carbono gasoso. Isto é em particular importante quando temperaturas mais altas são usadas, o que encurta o tempo do processo e reduz custos.[0014] According to the invention, this carburization mode allows the formation of carburized layers with an unlimited distribution of the carbon concentration gradient resulting from an adjustment of the following process parameters: temperature, pressure, duration of the time interval and impulse , as well as the gaseous carbon carrier flow. This is particularly important when higher temperatures are used, which shortens process time and reduces costs.

[0015] Omitindo intervalos de tempo durante o impulso: se nenhum dos intervalos de tempo for omitido o impulso de gás é o mesmo durante cada intervalo de tempo; se um intervalo de tempo é omitido — então o impulso é em cada segundo intervalo de tempo; se dois intervalos de tempo são omitidos — então o impulso é em cada terceiro intervalo de tempo, etc.[0015] Omitting time intervals during the pulse: if none of the time intervals are omitted the gas pulse is the same during each time interval; if a time interval is omitted — then the pulse is every second time interval; if two time slots are omitted — then the pulse is in every third time slot, etc.

Example 1

[0016] Um lote de engrenagens dentadas idênticas fabricadas de aço 16MnCr5, pesando 2,49 kg, de uma superfície de 0,054 m2, em um intervalo de tempo de 180 segundos, foi colocado em um forno a vácuo com fluxo de peças em linha, consistindo de 3 câmaras de processo para, respectivamente, aquecimento, carburização, e difusão, em que uma soleira de cada câmara de processo é equipada com um mecanismo de viga móvel, e em cada soleira 15 posições são fornecidas. Na sequência, as rodas se moveram através de todas as 15 posições em 3 câmaras, partindo da de aquecimento, e seguida pela de carburização, e a de difusão. Na câmara de aquecimento elas foram aquecidas até a temperatura de 950°C. Depois, na câmara de carburização, que foi aquecida até a temperatura de 950°C, as rodas sofreram carburização em baixa pressão pela introdução de acetileno durante 8 segundos em um fluxo de 16 dm3 por minuto em cada um dos intervalos de tempo de 180 segundos, para cada um dos 15 ninhos de trabalho (work-nests). A seguir disto, as rodas se moveram para a câmara de difusão, onde elas permaneceram em 10 posições na temperatura de 950°C, enquanto que nas 5 posições remanescentes a temperatura foi reduzida para 860°C. Depois, as rodas foram individualmente arrefecidas em nitrogênio sob a pressão de 0,3 MPa, e temperadas a 180°C em um dispositivo associado.[0016] A batch of identical toothed gears made of 16MnCr5 steel, weighing 2.49 kg, with a surface area of 0.054 m2, in a time interval of 180 seconds, was placed in a vacuum furnace with a flow of parts in line, consisting of 3 process chambers for, respectively, heating, carburizing, and diffusion, wherein one threshold of each process chamber is equipped with a movable beam mechanism, and on each threshold 15 positions are provided. Next, the wheels moved through all 15 positions in 3 chambers, starting with the heating, followed by the carburization, and the diffusion. In the heating chamber they were heated to a temperature of 950 °C. Then, in the carburization chamber, which was heated to a temperature of 950°C, the wheels were carburized at low pressure by introducing acetylene for 8 seconds at a flow of 16 dm3 per minute in each of the time intervals of 180 seconds. , for each of the 15 work-nests. Following this, the wheels moved to the diffusion chamber, where they remained in 10 positions at a temperature of 950°C, while in the remaining 5 positions the temperature was reduced to 860°C. Afterwards, the wheels were individually cooled in nitrogen under a pressure of 0.3 MPa, and quenched at 180°C in an associated device.

[0017] Em todas as rodas uma superfície carburizada uniforme foi obtida de uma espessura convencional de 0,60 ± 0,02 mm medida na superfície lateral do dente, com microestrutura martensítica apropriada, sem nenhuma precipitação de carbeto na área sub-superficial. A superfície dos elementos carburizados apresentou um brilho metálico, e não houve nenhuma contaminação relacionada com o carbono na instalação do forno.[0017] On all wheels a uniform carburized surface was obtained of a conventional thickness of 0.60 ± 0.02 mm measured on the lateral surface of the tooth, with appropriate martensitic microstructure, without any precipitation of carbide in the sub-surface area. The surface of the carbureted elements showed a metallic sheen, and there was no carbon-related contamination in the kiln installation.

Example 2

[0018] Um lote de engrenagens dentadas idênticas fabricadas de aço 16MnCr5, pesando 1,66 kg, de uma superfície de 0,07 m2, em um intervalo de tempo de 90 segundos, foi colocado em um forno a vácuo com fluxo de peça em linha, consistindo de 3 câmaras de processo para, respectivamente, aquecimento, carburização, e difusão, cada uma é equipada com uma soleira em cada 15 posições são fornecidas. Na sequência, as rodas se moveram através de todas as 15 posições em 3 câmaras, partindo da de aquecimento, e seguida pela de carburização, e a de difusão. Na câmara de aquecimento elas foram aquecidas até a temperatura de 1040°C. Depois, na câmara de carburização, que foi aquecida até a temperatura de 1040°C, as rodas sofreram carburização em baixa pressão pela introdução de acetileno durante 10 segundos em um fluxo de 22 dm3 por minuto em cada intervalo de tempo de 90 segundos, para cada um dos 15 ninhos de trabalho. Seguindo que, as rodas se moveram para a câmara de difusão, onde permaneceram em 10 posições na temperatura de 1040°C, enquanto que nas 5 posições remanescentes a temperatura foi reduzida para 860°C. Depois, as rodas foram individualmente arrefecidas em nitrogênio sob a pressão de 0,3 MPa, e temperada a 180°C em um dispositivo associado.[0018] A batch of identical toothed gears made of 16MnCr5 steel, weighing 1.66 kg, with a surface area of 0.07 m2, in a time interval of 90 seconds, was placed in a vacuum furnace with part flow in line, consisting of 3 process chambers for respectively heating, carburizing, and diffusion, each is equipped with a threshold in which 15 positions are provided. Next, the wheels moved through all 15 positions in 3 chambers, starting with the heating, followed by the carburization, and the diffusion. In the heating chamber they were heated to a temperature of 1040°C. Then, in the carburization chamber, which was heated to a temperature of 1040°C, the wheels were carburized at low pressure by introducing acetylene for 10 seconds at a flow of 22 dm3 per minute in each time interval of 90 seconds, to each of the 15 working nests. Following that, the wheels moved to the diffusion chamber, where they remained in 10 positions at a temperature of 1040°C, while in the remaining 5 positions the temperature was reduced to 860°C. Afterwards, the wheels were individually cooled in nitrogen under a pressure of 0.3 MPa, and quenched at 180°C in an associated device.

[0019] Em todas as rodas uma superfície carburizada uniforme foi obtida de uma espessura convencional de 0,65 ± 0,02 mm medida na superfície lateral do dente, com microestrutura martensítica apropriada, sem nenhuma precipitação de carbeto na área sub-superficial. A superfície dos elementos carburizados apresentou um brilho metálico, e não houve nenhuma contaminação relacionada com o carbono na instalação do forno.[0019] On all wheels a uniform carburized surface was obtained from a conventional thickness of 0.65 ± 0.02 mm measured on the lateral surface of the tooth, with appropriate martensitic microstructure, without any precipitation of carbide in the sub-surface area. The surface of the carbureted elements showed a metallic sheen, and there was no carbon-related contamination in the kiln installation.

Claims

1. Low pressure carburizing (LPC) method, intended for use in a device for the continuous thermochemical surface layer treatment of elements fabricated from ferroalloys, working in a stepwise mode, with a constant time interval and with saturation temperature from 820°C to 1200°C in a gaseous atmosphere, in which a gaseous carbon carrier is introduced by pulses into a vacuum passage process chamber of the device, the method characterized by the fact that the carbon carrier gaseous is introduced into the process chamber in a constant flow and time sequence, synchronized with each change of position of the parts, whereby a chamber threshold, in which several positions are provided, is equipped with a movable beam mechanism for gradual movement of the parts along the process chamber in the following way: in each time interval, each part passes a position forward, towards the exit of said chamber.

2. Method, according to claim 1, characterized by the fact that the gaseous carbon carrier is introduced into the process chamber at each time interval of the device or omitting 1 to 5 time intervals.

3. Method according to claim 1, characterized by the fact that the gaseous carbon carrier is introduced into the process chamber in a sequence consisting of 1 to 5 pulses per time interval.

4. Method, according to claim 1, characterized by the fact that the gaseous carbon carrier is introduced into the process chamber with a flow of 0.1 to 100 dm3 per minute, with a pulse time of 1 to 300 seconds.

5. Method, according to claims 2 or 3, characterized by the fact that the gaseous carbon carrier is introduced into the process chamber under absolute pressure between 0.2 and 10 hPa.

6. Method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the gaseous carbon carrier is a hydrocarbon, preferably acetylene or a mixture of hydrocarbons.