ES2296286T3 - Nitruracion superficial para la generacion de una capa superficial austenitica altamente resistente en aceros inoxidables. - Google Patents

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.