ES2296286T3 - Nitruracion superficial para la generacion de una capa superficial austenitica altamente resistente en aceros inoxidables. - Google Patents
Nitruracion superficial para la generacion de una capa superficial austenitica altamente resistente en aceros inoxidables. Download PDFInfo
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Abstract
Procedimiento de tratamiento térmico para la formación de una capa superficial austenítica con >_ 0,30% en peso de nitrógeno disuelto en piezas próximas a su forma definitiva de X5 CrNiMo 17 12 2 o de X2 CrNiMoN 22 5 3 como acero inoxidable mediante nitruración a una temperatura entre 1.000ºC y 1.200ºC en una atmósfera gaseosa que contiene nitrógeno y enfriamiento posterior con tal velocidad que se evita una segregación de nitruros.
Description
Nitruración superficial para la generación de
una capa superficial austenítica altamente resistentes en aceros
inoxidables.
La invención se refiere a un procedimiento de
tratamiento térmico para la formación de una capa superficial
austenítica con \geq 0,30% en peso de nitrógeno disuelto en piezas
próximas a su forma definitiva de acero inoxidable mediante
nitruración a una temperatura entre 1.000ºC y 1.200ºC en una
atmósfera gaseosa con contenido de nitrógeno.
Un procedimiento de tratamiento térmico del tipo
anteriormente mencionado se conoce del documento
DE-A-25 18 452. En el documento
DE-A-25 18 452 se da a conocer un
procedimiento para austenitizar una aleación férrica que contiene
aproximadamente un 21 a un 45 por ciento de manganeso y
aproximadamente un 10 a un 30 por ciento de cromo, exponiéndose la
superficie de la aleación en estado sólido a la acción de nitrógeno
a una temperatura de por lo menos 927ºC durante un periodo de
tiempo suficiente para aumentar el contenido de nitrógeno por lo
menos en la superficie a aproximadamente un 0,85 a un 3 por
ciento.
El contenido de manganeso en las aleaciones a
tratar con ayuda del procedimiento de tratamiento térmico conocido
del documento DE-A-25 18 452 es de
un 21 a un 45 por ciento. Debido a que el manganeso es un elemento
que favorece la formación de austenita y aumenta la solubilidad de
nitrógeno en el acero, se requieren cantidades de manganeso
superiores a un 21 por ciento.
A diferencia del documento
DE-A-25 18 452, con la invención se
propone un procedimiento de tratamiento térmico para la formación
de una capa superficial austenítica con \geq 0,30% en peso de
nitrógeno disuelto en piezas próximas a su forma definitiva de
X5CrNiMo 17 12 2 o de X2CrNiMoN 22 5 3 como acero inoxidable
mediante nitruración a una temperatura entre 1.000ºC y 1.200ºC en
una atmósfera gaseosa con contenido de nitrógeno y enfriamiento
posterior con tal velocidad que se evite una segregación de
nitruros.
El carbono y el nitrógeno disueltos en aceros
inoxidables aumentan en estos la dureza del martensita, el límite
de elasticidad del austenita y estabilizan la fase austenítica.
Mientras que la aportación de carbono empeora la resistencia de
aceros inoxidables contra una corrosión húmeda, el nitrógeno mejora
esta característica. Al aprovechamiento de este efecto favorable
del nitrógeno se opone su solubilidad en el acero fundido
esencialmente más baja en comparación con el carbono a presión
normal. Por este motivo se emplean actualmente procedimientos
metalúrgicos con aplicación de presión o procedimientos
pulvimetalúrgicos para producir aceros inoxidables con un contenido
de nitrógeno entre un 0,3% y un 3% en peso. No obstante, estos
procedimientos son mucho más caros en comparación con una fundición
de acero abierta.
Por este motivo, la presente invención prescinde
de un alto contenido de nitrógeno uniforme en el acero. En vez de
esto, sólo en la capa superficial de piezas de acero inoxidable
próximas a su forma definitiva se concentra nitrógeno disuelto en
tal medida con un tratamiento térmico que se forme una capa
superficial austenítica altamente resistente pero tenaz sobre una
estructura del núcleo de ferrita, austenita, martensita o de una
mezcla de dos o tres de estos componentes estructurales. El
tratamiento térmico conforme a la invención comprende una
nitruración en una atmósfera gaseosa que libera nitrógeno a una
temperatura entre 1.000ºC y 1.200ºC. La temperatura, la presión y
la duración del tratamiento se seleccionan de tal manera que se
forme una capa superficial de un determinado grosor cuyo contenido
de nitrógeno en la superficie se encuentra entre un límite inferior
de un 0,3% en peso y un límite superior determinado por la
incipiente segregación de nitruros durante la nitruración. El
siguiente enfriamiento se lleva a cabo tan rápidamente que en este
intervalo de tiempo no se produce una segregación de nitruros. Un
posterior almacenamiento a una temperatura \leq 650ºC permite un
templado de la capa superficial.
En la patente DE 40 33 706 se describe la
cementación con nitrógeno con la que se consigue después de la
nitruración de un acero inoxidable martensítico mediante templado
una capa superficial martensítica dura sobre un núcleo dúctil. Este
procedimiento se emplea para el tratamiento de rodamientos de acero
inoxidable, piezas de engranajes y herramientas, así como para
piezas inoxidables para bombas y válvulas en fluidos cargados de
partículas. En todos estos casos es importante que la capa
superficial presente un máximo de resistencia a la presión y de
dureza que, no obstante, está combinada con un aumento considerable
de la fragilidad. El objetivo de la presente invención consiste en
crear una capa superficial austenítica altamente resistente pero
tenaz sobre un núcleo dúctil o duro (figura 1), proponiéndose con
la invención un procedimiento de tratamiento térmico para la
formación de una capa superficial austenítica con \geq 0,30% en
peso de nitrógeno disuelto en piezas próximas a su forma definitiva
de X5 CrNiMo 17 12 2 o de X2 CrNiMoN 22 5 3 como acero inoxidable
mediante nitruración a una temperatura entre 1.000ºC y 1.200ºC en
una atmósfera gaseosa que contiene nitrógeno y posterior
enfriamiento con tal velocidad que impide la segregación de
nitruros. Mediante la difusión de nitrógeno se estabiliza la fase
austenítica en la capa superficial, por lo que los componentes
ferríticos o martensíticos en la zona superficial se convierten en
austenita. Por el endurecimiento por solución sólida de nitrógeno
en el austenita aumenta también la resistencia de la capa
superficial sin que esta se vuelva frágil. Debido a la combinación
conseguida de resistencia y tenacidad, la capa superficial
austenítica conforme a la invención es apropiada para aumentar la
resistencia al desgaste, en particular al desgaste a causa de una
solicitación por rebote, cavitación e impacto de gotas que aparece
por ejemplo en turbomáquinas.
La invención se describe a continuación con
referencia a un ejemplo de realización. Para rodetes de bombas de
alta velocidad en medios agresivos se emplean frecuentemente aceros
inoxidables dúplex ferríticos austeníticos cuya estructura bifásica
aporta el elevado límite de elasticidad requerido. Un tipo de fallo
frecuente es el desgaste por cavitación. Tal como se desprende de
la figura 2, mediante la nitruración en nitrógeno gaseoso a 1.150ºC
y una presión de 1 bar se disuelve en la capa superficial de este
material un contenido de un 1,4% en peso de nitrógeno. En la figura
3 puede apreciarse después del enfriamiento una capa superficial
completamente austenítica sobre una estructura ferrítica
austenítica del núcleo. Esta capa superficial se ha sometido a un
ensayo de desgaste por cavitación en comparación con el material no
nitrurado del núcleo. Mediante un oscilador de ultrasonidos con una
frecuencia de 20 kHz y una amplitud de 40 \mum se genera en agua
destilada un campo de burbujas que produce implosiones en la
superficie de la muestra. La magnitud del desgaste se refleja en la
figura 4 como pérdida de peso en función de la duración de la
solicitación. Para la capa superficial nitrurada conforme a la
invención se consigue una tasa de desgaste de 0,0358 (mg/10^{3}s)
que es de 1,53 (mg/10^{3}s) para el acero no nitrurado. Mediante
la nitruración superficial se consigue por lo tanto una reducción de
la tasa de desgaste por el factor 43. En el ejemplo de una curva de
densidad de corriente en función del potencial en la figura 5 puede
apreciarse que la resistencia a la corrosión húmeda en agua marina
artificial se mejora ligeramente con la nitruración superficial.
Con aproximadamente la misma densidad de corriente pasiva se obtiene
para la muestra nitrurada un aumento del potencial de penetración
en comparación con la muestra no nitrurada.
Estos resultados de los ensayos significan en
relación con un rodete de bomba que en el núcleo se mantiene el
elevado límite de elasticidad de la estructura dúplex ferrítica y
austenítica, y de esta manera también la capacidad portante a una
elevada velocidad de giro. Al mismo tiempo, la capa superficial
austenítica nitrurada reduce considerablemente la tasa de desgaste
por cavitación hasta haberse consumido esta capa. En cuanto a los
gastos se refiere, se suprime el tratamiento térmico convencional de
aceros dúplex compuesto de un recocido de disolución a 1.020ºC a
1.100ºC y un enfriamiento brusco.
Su lugar lo ocupan la nitruración y el
enfriamiento, por lo que sólo se originan gastos adicionales debidos
a una duración más larga del tratamiento y a la atmósfera
gaseosa.
Claims (3)
1. Procedimiento de tratamiento térmico para la
formación de una capa superficial austenítica con \geq 0,30% en
peso de nitrógeno disuelto en piezas próximas a su forma definitiva
de X5 CrNiMo 17 12 2 o de X2 CrNiMoN 22 5 3 como acero inoxidable
mediante nitruración a una temperatura entre 1.000ºC y 1.200ºC en
una atmósfera gaseosa que contiene nitrógeno y enfriamiento
posterior con tal velocidad que se evita una segregación de
nitruros.
2. Procedimiento de tratamiento térmico de
acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado porque la
presión en la atmósfera gaseosa durante la nitruración difiere de
la presión normal.
3. Procedimiento de tratamiento térmico de
acuerdo con la reivindicación 1 ó 2 caracterizado porque la
capa superficial se templa mediante un recalentamiento posterior a
una temperatura \leq 650ºC.
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