ES2372829A1 - Procedimiento de reducción de elementos intersticiales en colada de aleaciones y molde para la realización de dicho procedimiento. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de reducción de elementos intersticiales en colada de aleaciones y molde para la realización de dicho procedimiento.El procedimiento de reducción de elementos intersticiales en colada de aleaciones comprende las etapas de inyectar dicha aleación en un molde para la formación de una pieza; dejar enfriar dicha aleación; y por el hecho de que se calienta por lo menos una zona del contorno de dicho molde, de manera que se provoca el flujo de los elementos intersticiales hacia dicha por lo menos una zona del contorno.El molde (1) para la reducción de elementos intersticiales en colada de aleaciones se caracteriza por el hecho de que comprende por lo menos un elemento de calentamiento (2) situado en la periferia de dicho molde (1).Se consigue un procedimiento en el que la mayoría de los elementos intersticiales quedan concentrados en una o varias zonas en la parte externa de la pieza de aleación.
Description
Procedimiento de reducción de elementos
intersticiales en colada de aleaciones y molde para la realización
de dicho procedimiento.
La presente invención se refiere a un
procedimiento de reducción de elementos intersticiales en colada de
aleaciones. Particularmente, se refiere a un procedimiento de
reducción de hidrógeno en colada de acero.
La presente invención también se refiere a un
molde para la realización de dicho procedimiento.
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Es conocido que el hidrógeno es un elemento que
puede provocar la fragilización de componentes de acero. En
particular, la sensibilidad a la fragilización por hidrógeno es más
evidente en las aleaciones de alta resistencia.
Diversos mecanismos han sido descritos como
responsables de dicha fragilización. Estos mecanismos no empiezan a
materializarse mientras la temperatura no descienda por debajo de un
umbral tal que los elementos intersticiales en cuestión presenten
una movilidad reducida y una solubilidad insuficiente, y tiendan a
combinarse con otros elementos para formar compuestos
fragilizantes.
Es conocido que el hidrógeno presenta una
solubilidad en las diversas fases de las aleaciones férreas que
varia de una fase a otra, y dentro de cada fase aumenta con la
temperatura. Por ejemplo, en el caso del acero, la solubilidad en
las fases sólidas oscila en torno a unos 8 ppm en austenita a alta
temperatura (1400ºC), e inferior a 1 ppm en ferrita a temperatura
ambiente, y 30 ppm aproximadamente en el líquido a 1600ºC.
Puede considerarse que el fenómeno de difusión
de elementos intersticiales está gobernado principalmente por la
agitación térmica de los átomos de la red cristalina, es decir, a
mayor temperatura, mayor agitación térmica y, por lo tanto, mayor
posibilidad de difusión. La fuerza motriz que genera el flujo de
átomos es la reducción de energía libre del sistema. Rigurosamente,
el flujo se produce desde las regiones de alto potencial químico
hasta regiones de potencial químico inferior, y aunque habitualmente
simplemente se tiene en cuenta el flujo producido entre regiones de
alta concentración y regiones de baja concentración en el elemento
que difunde, éste no es el único escenario posible.
Sin embargo, puede demostrarse que siempre que
la movilidad atómica sea suficiente, y en ausencia de diferencias de
composición u otros factores que provoquen un flujo más importante,
un gradiente elevado provoca también un flujo neto de elementos
intersticiales hacia regiones a mayor temperatura, las cuales al
presentar mayor solubilidad se encuentran en un estado de saturación
inferior, y por lo tanto, en las mismas condiciones de temperatura
tendrían un menor potencial químico, y que a su vez se ve reforzado
por el aumento de movilidad atómica debido al gradiente positivo de
temperatura.
Durante el llenado del molde durante el proceso
de colada, la extracción de calor del metal se produce a través de
las paredes del molde y de las superficies libres de metal
colado.
De este modo, el enfriamiento del metal colado
en general se produce desde el exterior hacia el núcleo de la pieza,
manteniéndose dicho núcleo a mayor temperatura que su superficie, y
apreciándose un importante gradiente de temperatura desde la
superficie hasta el núcleo.
Este acusado gradiente de temperatura, a
temperaturas en las cuales elementos intersticiales tales como el
hidrógeno aún presentan una movilidad alta, produce un flujo de
dichos elementos hacia el interior de la pieza colada, debido a su
mayor temperatura y mayor capacidad de disolver dichos elementos
respecto a las regiones adyacentes que se hayan a menor
temperatura.
Dicho flujo tiende a concentrar el contenido
total del elemento intersticial en cuestión en las regiones del
núcleo de la pieza colada. La presencia de hidrógeno en las
aleaciones, especialmente en aceros, es debida a diversas razones,
desde la presencia de humedad en las materias primas o equipos o la
descomposición de compuestos presentes en los mismos, así como a
actuaciones durante el mismo proceso de fundición y afinado de la
aleación, por ejemplo en las que se lleva a cabo un soplado de
hidrógeno a través del baño de metal fundido con el fin de eliminar
otros elementos del mismo, con la consecuencia final de que una
parte del hidrógeno utilizado queda disuelto en el baño.
Debido a este efecto perjudicial del hidrógeno
en las propiedades mecánicas de las piezas producidas
tradicionalmente se han utilizado diferentes sistemas para su
eliminación.
Estos sistemas pueden dividirse en dos familias,
mediante adiciones durante el proceso de afinado o sometiendo el
baño a una presión reducida.
El primer sistema consiste en la adición al baño
fundido de elementos que se combinan con el hidrógeno, formando
compuestos insolubles en el baño que puedan ser eliminados.
El segundo sistema consiste en someter el baño a
una atmósfera de presión reducida respecto a la presión atmosférica,
ya que la solubilidad del hidrógeno en el baño es función de la
presión.
Este segundo sistema produce una mejor tasa de
eliminación del hidrógeno del baño, aunque a costa de un aumento muy
importante de la inversión necesaria en el equipo. Por su parte, el
primer sistema supone inversiones mucho más reducidas, pero también
supone una tasa de reducción de hidrógeno en el baño más baja, de
manera que es mucho menos efectivo. Además, este primer sistema
tiene el problema añadido que supone la modificación de la
composición del baño y, por lo tanto, de la aleación.
Por lo tanto, es evidente la necesidad de un
procedimiento de reducción de elementos intersticiales, en
particular de hidrógeno, en piezas de colada que no modifique la
composición de la aleación, con excepción de los elementos
intersticiales y, además, no requiera una inversión tan importantes
como en el caso de los sistemas de afinado y colada en vacío.
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Con el procedimiento y el molde de la invención
se consiguen resolver los inconvenientes citados, presentando otras
ventajas que se describirán.
Según un primer aspecto, el procedimiento de
reducción de elementos intersticiales en colada de aleaciones de la
presente invención comprende las etapas de:
- inyectar dicha aleación en un molde para la
formación de una pieza;
- dejar enfriar dicha aleación;
y se caracteriza por el hecho de que se calienta
por lo menos una zona del contorno de dicho molde, de manera que se
provoca el flujo de los elementos intersticiales hacia dicha por lo
menos una zona del contorno.
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Gracias a esta característica, se consigue un
procedimiento en el que la mayoría de los elementos intersticiales
quedan concentrados en una o varias zonas en la parte externa de la
pieza de aleación. Así estas zonas se pueden eliminar fácilmente
mediante tratamiento térmico y/o mecanizado superficial de la
pieza.
Ventajosamente, por lo menos una zona del
contorno se calienta antes de que la aleación se enfríe a una
temperatura suficiente para la formación de compuestos
fragilizantes.
Según diferentes realizaciones preferidas, dicha
por lo menos una zona del contorno se calienta a una temperatura
comprendida entre 900ºC y la temperatura de fusión de la aleación
colada.
Dicho calentamiento de la o cada zona del
contorno se mantiene ventajosamente hasta que cualquier punto de la
pieza, diferente que dichas zonas del contorno, está a una
temperatura inferior a 500ºC.
Según diferentes realizaciones preferidas,
dichos elementos intersticiales son hidrógeno, carbono, nitrógeno,
boro, argón u otros elementos intersticiales o elementos que
presentan difusividad en la matriz de la aleación, y dicha aleación
es una aleación de acero, hierro, cobre, níquel, titanio, cobalto,
cromo u otras con puntos de fusión superiores a 900ºC.
Según un segundo aspecto, el molde para la
reducción de elementos intersticiales en colada de aleaciones de la
presente invención se caracteriza por el hecho de que comprende por
lo menos un elemento de calentamiento situado en la periferia de
dicho molde.
Según dos realizaciones, dicho o cada elemento
de calentamiento es una resistencia eléctrica o una espira de
inducción, estando asociado dicho o cada elemento de calentamiento
con una sonda de temperatura.
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Para mejor comprensión de cuanto se ha expuesto
se acompañan unos dibujos en los que, esquemáticamente y tan sólo a
titulo de ejemplo no limitativo, se representa un caso práctico de
realización.
La figura 1 es una vista esquemática del molde
de la presente invención, representándose el flujo de los elementos
intersticiales y las curvas isotermas de la aleación colada.
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En primer lugar, debe indicarse que la presente
descripción se realiza a partir del caso de reducción de hidrógeno
en colada de acero, pero el ámbito de aplicación del procedimiento
de la presente invención se extiende a cualquier aleación colada en
la que se desee una reducción de la cantidad de hidrógeno disuelto o
de cualquier otro elemento intersticial, tal como por ejemplo
carbono, nitrógeno, boro y otros.
A diferencia del procedimiento de la técnica
anterior descrito anteriormente, según el procedimiento de la
presente invención se fuerza la existencia de un gradiente de
temperatura creciente hasta uno o más puntos de la superficie de la
pieza, de manera que el flujo de elementos intersticiales se produce
hacia la superficie, en lugar de hacia el núcleo de la pieza.
De esta manera, los elementos intersticiales se
eliminarán de la pieza colada por simple difusión a través de la
superficie de la pieza, y cualquier remanente se concentra en una
zona próxima a la superficie, de forma que se puede eliminar
fácilmente mediante un tratamiento térmico posterior y/o un
mecanizado superficial de la pieza.
Para obtener un gradiente de temperatura
favorable al flujo hacia la superficie del elemento intersticial es
necesario mantener por lo menos una zona de la superficie de la
pieza a una temperatura suficientemente elevada durante el proceso
de solidificación y enfriamiento, de forma que se mantenga a una
temperatura más elevada que el resto de la pieza hasta el final del
proceso.
En el caso de querer eliminar un elemento como
el hidrógeno, con tendencia a combinarse con otros átomos formando
compuestos fragilizantes, es importante asegurar que el proceso de
eliminación se inicia antes de que la pieza se enfríe hasta
temperaturas en las que se producen dichas reacciones de formación
de compuestos fragilizantes.
Tal como se aprecia en las figuras, el molde,
indicado en general mediante la referencia numérica 1, comprende un
elemento de calentamiento 2.
Debe indicarse que aunque por motivos de
simplicidad solamente se ha representado un elemento de
calentamiento 2 en las figuras, es evidente que puede haber
cualquier número adecuado de elementos de calentamiento, en función
de la forma y dimensiones del molde.
El o cada elemento de calentamiento 2, que está
integrado en el molde 1 y empieza a actuar durante el vertido de la
aleación en el molde, pueden consistir en una espira de inducción
debidamente protegida del metal líquido, o en una resistencia
eléctrica, o cualquier elemento de calentamiento adecuado.
Un requisito de este elemento de calentamiento
es que se debe integrar en el molde, a una distancia suficientemente
próxima de la superficie interior del molde y que permita mantener
la zona de la superficie de la pieza a una temperatura adecuada de
manera fiable.
Otro requisito indispensable del elemento de
calentamiento es su capacidad de soportar temperaturas superiores a
las de fusión de la aleación, y especialmente el choque térmico
producido durante el llenado del molde.
Por ejemplo, en el caso de querer tratar piezas
de fundición de acero, la temperatura a mantener puede alcanzar los
1400ºC, y la temperatura del baño líquido puede superior los
1600ºC.
Cada elemento de calentamiento 2 está asociado
con una sonda de temperatura 3, un sistema de control 4 y un sistema
de alimentación de energía 5.
En el caso de que se utilice como elemento de
calentamiento una resistencia eléctrica, ésta puede estar construida
en el mismo material que la pared del molde, por ejemplo de una
aleación resistente a la temperatura, de un material
cerámico-refractario, o incluso integrado en la
pared del molde en el caso de moldeado en arena.
Un elemento de calentamiento formado por una
resistencia eléctrica es más robusto y más económico, y requiere un
sistema de control más simple, que en el caso de una espira de
inducción, aunque presenta unas inercias térmicas importantes.
Si el elemento de calentamiento está formado por
una espira de inducción el material a utilizar no debe ser
conductivo para evitar la generación de corrientes inducidas, ya que
estas corrientes inducidas pueden calentar el elemento de
calentamiento en lugar de la superficie de la pieza colada o las
paredes del molde.
Además, el tipo y la colocación de la sonda de
temperatura 3 deben ser adecuados para evitar que el campo magnético
generado por la espira de inducción pueda falsear la medida de
temperatura, y ésta deberá estar situada de manera que mida
directamente la temperatura de la superficie de la pieza.
El sistema de control 3 puede ser similar a los
utilizados habitualmente para tratamientos térmicos superficiales
por inducción.
En este sentido, un elemento de calentamiento 2
basado en una espira de inducción requiere una inversión algo mayor
que el basado en una resistencia, pero tiene la ventaja de que
permite una modulación de la temperatura obtenida mucho más ágil y
precisa.
A continuación se indicarán en la Tabla 1 las
diferentes temperaturas implicadas en el procedimiento de la
presente invención, en función de la aleación utilizada.
Debe indicarse que la temperatura a la que deben
mantenerse las zonas perimetrales del molde ha de ser lo más alta
como sea posible desde un punto de vista práctico, pero cómodamente
inferior a la temperatura de fusión de la aleación.
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En cuanto al tiempo necesario de mantenimiento
de dichos puntos calientes o zonas del contorno, este tiempo depende
del volumen y de la geometría de la pieza en cuestión. Sin embargo,
debe tenerse en cuenta que los elementos de calentamiento que deben
crear los puntos calientes en la superficie de la pieza deben estar
activos en el momento del llenado del molde, y deben mantenerse a la
temperatura adecuada hasta el momento que el núcleo de la pieza haya
descendido por debajo de la temperatura crítica (aproximadamente
500ºC).
A partir de esta temperatura, la potencia
aplicada al elemento de calentamiento podrá reducirse lentamente,
siempre garantizando que el punto caliente se encuentra a mayor
temperatura que el núcleo de la pieza, hasta que ambos se encuentren
por debajo de la temperatura crítica. El tiempo necesario para el
enfriamiento hasta la temperatura crítica puede estimarse a partir
de un simple modelo de enfriamiento del conjunto de la pieza y del
molde.
A pesar de que se ha hecho referencia a una
realización concreta de la invención, es evidente para un experto en
la materia que el procedimiento y el molde descritos son
susceptibles de numerosas variaciones y modificaciones, y que todos
los detalles mencionados pueden ser substituidos por otros
técnicamente equivalentes, sin apartarse del ámbito de protección
definido por las reivindicaciones adjuntas.
Claims (8)
1. Procedimiento de reducción de elementos
intersticiales en colada de aleaciones, que comprende las etapas
de:
- inyectar dicha aleación en un molde para la
formación de una pieza;
- dejar enfriar dicha aleación;
caracterizado por el hecho de que se
calienta por lo menos una zona del contorno de dicho molde, de
manera que se provoca el flujo de los elementos intersticiales hacia
dicha por lo menos una zona del contorno.
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2. Procedimiento según la reivindicación 1, en
el que dicha por lo menos una zona del contorno se calienta a una
temperatura comprendida entre 900ºC y la temperatura de fusión de la
aleación colada.
3. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de
que dicho calentamiento de la o cada zona del contorno se mantiene
hasta que cualquier punto de la pieza, diferente de dichas zonas del
contorno, está a una temperatura inferior a 500ºC.
4. Procedimiento según la reivindicación 1, en
el que dichos elementos intersticiales son hidrógeno, carbono,
nitrógeno, boro, argón.
5. Procedimiento según la reivindicación 1, en
el que dicha aleación es una aleación de acero, hierro, cobre,
níquel, titanio, cobalto, cromo u otras con puntos de fusión
superiores a 900ºC.
6. Molde (1) para la reducción de elementos
intersticiales en colada de aleaciones, caracterizado por el
hecho de que comprende por lo menos un elemento de calentamiento (2)
situado en la periferia de dicho molde (1).
7. Molde (1) según la reivindicación 6, en el
que dicho o cada elemento de calentamiento (2) es una resistencia
eléctrica o una espira de inducción.
8. Molde según la reivindicación 6, en el que
dicho o cada elemento de calentamiento (2) está asociado con una
sonda de temperatura (3).
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