MÉTODO Y DISPOSITIVO DE CARBONITRURACION A BAJA PRESIÓN
Campo de la Invención La presente invención se refiere a métodos para proces ar partes de acero, y de manera más específica a métodos de carbonitruración, es decir, métodos para intr )dacir carbono y nitrógeno en la superficie de las partes de acero para mejorar su dureza y su comportamiento en la fatiga
Antecedentes de la Invención Existen varios tipos de métodos para carbonitrurar partes de acero lo que permite la introducción de carbono y nitrógleno en la superficie de las partes, hasta profundidades que pueden alcanzar varios cientos de micrómetros Una primera categoría de los métodos de carbón1itruración corresponde a los llamados métodos de carbónitruración de alta presión puesto que el encierro que contiene las partes que se van a procesar se mantiene a una presioh en general cercana a la presión atmosférica durante el tiempo completo de procesamiento. Este método comprende, por ej emplo, mantener las partes a un nivel de temperatura, por ejemplo, a aproximadamente 880°C, en tanto que se alimenta el encierro con una mezcla gaseosa formada de metano1 1 y amoniaco. El paso de carbonitruración se sigue
por un paso de temple, por ejemplo, un temple con aceite, y posiblemente por un endurecimiento por medios mecánicos de las partes procesadas. Una segunda categoría de los métodos de carbonitruración corresponde a los llamados métodos de carbonLtruración a baja presión o a presión reducida, puesto que el encierro que contiene las partes que se van a procesar se mantiene a una presión en general menor que unos pocos cientos de pascales (unos pocos milibares). La publicación US 2004/0187966 describe dos ejemplos de métodos de carbonitruración a baja presión. La Figura 1 corresponde a la Figura 5 (a) de la solicitud US 2004/0187966 y muestra una curva 10 de variación de la temperatura dentro de un encierro de horno en el cual se lleva a cabo un método de carbonitruración de acuerdo a una primera modalidad que comprende siete pasos sucesivos I a VII. Las partes que se van procesar se calient.an (paso I) hasta un nivel 12 de temperatura y se mantienen a un nivel 12 de temperatura (paso II) para obtened una compensación de las temperaturas de las partes. Se lleva a cabo un paso de carburación (paso III) a un nivel 12 de temperatura por la inyección en el encierro de una mezcla de etileno y gas hidrógeno y se sigue por un paso de difusión (paso IV) realizado al nivel 12 de temperatura. La temperatura del encierro se disminuye entonces (paso V) a un nivel 14 de temperatura menor que el nivel 12 de
temperatura . Se realiza un paso de nitruración (paso VI) al nivel 14 de temperatura al inyectar amoniaco en el encierro, Las partes se extinguen finalmente (paso VII), por ejemplo, por temple con aceite. La Figura 2 corresponde a la Figura 5(b) de la solicitud US 2004/0187966 y muestra una curva 16 de variación de la temperatura dentro de un horno en el cual se lleva a cabo un método de carbonitruración de acuerdo a un segundo ejemplo de la modalidad que comprende cuatro pasos sucesivos I1 a IV. Los pasos I1 y II' corresponden respectivamente a los pasos I y II de la primera modalidad. El paeo III' corresponde a un paso de carbonitruración, realizado a un nivel 18 de temperatura, durante el cual se inyecta una mezcla gaseosa de etileno, hidrógeno y amoniaco en el encierro de horno. El paso IV corresponde a un paso de temple con aceite. I Una desventaja del primer ejemplo de método de i carbonitruración descrito en la publicación US 2004/0187966 es que leí paso de nitruración se realiza después del paso de carburación, a un nivel de temperatura menor que el nivel de temperatura de carburación. El tiempo total de procesamiento de esta manera puede ser excesivamente prolongado, lo que hace difícil el uso de este método en un contexto industrial. Una desventaja del segundo ejemplo de método de carbonitruración descrito en la publicación US 2004/0187966
es debida al hecho que los gases de carburación y nitruración se inyectan simultáneamente en el encierro de horno. Entonces, es difícil controlar exactamente el ambiente gaseoso en el encierro, y por consiguiente, controlar de manera exacta y reproducible los perfiles de concentración de nitrógeno y carbono obtenidos en las partes procesadas
Breve Descripción de la Invención La presente invención proporciona un método para carbonitrurar a baja presión partes de acero que permite obtener de manera exacta y reproducible los perfiles deseados de concentración de carbono y nitrógeno en las partes procesadas Otro objeto de la presente invención es proporcionar un método de carbonitruración que tiene una implementación compatible con el procesamiento de las partes de acero en un contexto industrial. La presente invención también tiene como finalidad un horno de carbonitruración a baja presión de partes de acero que permite obtener de manera exacta y reproducible los perfiles deseados de carbono y nitrógeno en las partes procesadas . Otro objeto de la presente invención es proporcionar un horno de carbonitruración a baja presión de diseño simple.
Para este propósito, la presente invención proporciona un método para carbonitrurar una parte de acero arreglada en un encierro mantenido a una presión interna reducida, la parte que se mantiene a un nivel de temperatura . El método comprende una alternación del primero y segundo pasos, un gas de carburación que se inyecta en el encierro durante los primeros pasos únicamente y un gas de nitruración que se inyecta en el encierro sólo durante al menos parte de al menos dos segundos pasos. De acuerdo a una modalidad, el gas de carburación es propano o acetileno y el gas de nitruración es amoniaco. De acuerdo a una modalidad, se inyecta un gas neutral en el encierro simultáneamente con el gas de nitruráción. De acuerdo a una modalidad, el gas de nitruración se iny cta en el encierro durante al menos un segundo paso durante un tiempo más corto que la duración del segundo paso, el resto del segundo paso que se lleva a cabo en la presencia de un gas neutral. De acuerdo a una modalidad, se realizan el primero y segundo pasos a una presión constante menor que 1,500 pascal s . De acuerdo a una modalidad, el nivel de temperatura varía entre 800°C y 1050°C. De acuerdo a una modalidad, el nivel de temperatura es mayor de 900°C.
La presente invención también proporciona un horno de carbonitruración propuesto para recibir una parte de acero, el horno que está asociado con un medio de introducción de gas y extracción de gas controlado para mantener una presión interna reducida, y que comprende un medio de calentamiento para mantener la parte a un nivel de temperatura. El medio de introducción comprende un medio para introducir, durante una alternación del primero y segundps pasos llevados a cabo a este nivel de temperatura, un gas de carburación durante los primeros pasos únicamente y un cas de nitruración sólo durante al menos parte de al menos un segundo paso. De acuerdo a una modalidad, el medio de introducción comprende un medio para introducir un gas neutra...
¡ Breve Descripción de las Figuras I Los objetos, características y ventajas anteriores y otros de la presente invención se analizarán en detalle en la siguiente descripción no limitante de las modalidades específicas con respecto a las figuras anexas, entre las cuales : j Las Figuras 1 y 2, descritas anteriormente, ilustraln ejemplos convencionales de métodos de carbonitruración a baja presión; La Figura 3 muestra esquemáticamente una modalidad
de un horno de carbonitruración a baja presión de acuerdo a la presente invención; La Figura 4 ilustra un ejemplo de un método de carbonitruración a baja presión de acuerdo a la presente invención; La Figura 5 muestra un ejemplo de un perfil de concentración de nitrógeno obtenido en partes de acero procesadas de acuerdo a un ejemplo del método de carbonitruración a baja presión de la invención; Las Figuras 6, 7 y 8 ilustran respectivamente otro ejemplo de un método de carbonitruración de acuerdo a la presente invención y los perfiles de concentración de carbono y nitrógeno obtenidos para este método de carbonitruración; y Las Figuras 9, 10 y 11 ilustran respectivamente otro ejemplo de un método de carbonitruración de acuerdo a la presente invención de los perfiles de concentración de carbonD y nitrógeno obtenidos para este método de carbono,truración .
Descripción Detallada de la Invención La presente invención comprende llevar a cabo en un en?ierro que contiene partes de acero que se van a procesar mantenidas a una temperatura sustancialmente constante, una alternación de pasos de enriquecimiento de carbono durante los cuales se inyecta un gas de carburación
en el encierro bajo una presión reducida y de pasos de difusión de carbono durante los cuales se interrumpe la inyección del gas de carburación. La presente invención comprende proporcionar la inyección, en el encierro, de un gas de nitruración para todos o parte de los pasos de difusión de carbono. Los pasos de enriquecimiento de carbor.o entonces corresponden a los pasos de difusión de nitró?eno. El gas de nitruración se inyecta durante al menos parte de al menos dos pasos de difusión de carbono, es decir, durante al menos parte de un paso de difusión de carbono interpuesto entre dos pasos de enriquecimiento de carbono. Esto permite ventajosamente controlar de forma exacta y reproducible los perfiles de concentración de carbono y nitrógeno obtenidos en las partes procesadas, puesto que se realiza la inyección de gas de nitruración de maneréi separada de la inyección de gas de carburación. Adicionalmente, puesto que la inyección de gas de nitruración se realiza durante los pasos de difusión de carbono, la duración total del procesamiento de carbonitruración es sustancialmente similar a un procesamiento convencional de carburación. ! La Figura 3 muestra esquemáticamente una modalidad de un horno 10 de carbonitruración a baja presión de acuerdo a la presente invención. El horno 10 comprende una pared 12 hermética que delimita un encierro interno 14 en el cual se arregla una carga que se va a procesar 16, en general un
gran Úmero de partes arregladas en un soporte apropiado. Se puede mantener un vacío en el orden de unos pocos cientos de paséales (unos pocos milibares) en el encierro 14 debido a un tubo 18 de extracción conectado a un extractor 20. Un inyector 22 permite introducir gases de una manera distribuida en el encierro 14. Las entradas 22, 24, 26, 2í de gases controladas respectivamente por las válvulas 30, 32, 34, 36 se han mostrado como un ejemplo. La temperatura en el encierro 14 se puede ajustar por el medio 38 de calentjamiento , La Figura 4 muestra una curva 40 de la variación de temperatura en el encierro 14 del horno 10 de carbor.itruración en la Figura 3 durante un ciclo de carbor itruración de acuerdo a un ejemplo de un método de carbor.itruración de la invención. El método comprende un paso H inicial que corresponde a un aumento 42 en la temperatura del encierro 14 que contiene la carga 16 hasta un nivel 44 de temperatura que, en el presente ejemplo, es igual a 930°C y que puede corresponder en general a temperaturas que varían entre aproximadamente 800°C y aproximadamente 1050°C. El paso H se sigue por un paso PH de conpensación de temperatura de las partes que forman la carga 16 al nivel 44 de temperatura. Los pasos H y PH se llevar, a cabo en la presencia de un gas neutral, al cual se puede adicionar un gas reductor. El gas neutral por ejemplo es nitrógeno (N2) . El gas reductor, por ejemplo, hidrógeno
(H2) , se puede adicionar de acuerdo a una proporción que varía dentro de un intervalo de 1 % a 5 % en volumen del gas neutrétl. Por razones de seguridad, puede ser deseable imitar la proporción de hidrogeno a proporciones menores por aproximadamente 5 % para impedir cualquier riesgo de explosión en el caso donde el hidrógeno incidentalmente entraría en contacto con el aire circundante. El paso PH se sigue por una alternación de pasos Cl a 04 de enriquecimiento de carbono, durante los cuales se inyecta un gas de carburación en el encierro 14, y de los pasos 'DI a D4 de difusión de carbono, durante los cuales no se inyecta por más tiempo el gas de carburación en el encierro 14. Como un ejemplo, en la Figura 4 se muestran los cuatro pasos Cl a C4 de enriquecimiento y los cuatro pasos DI a D4 de difusión. Los pasos de enriquecimiento y difusz.ón se llevan a cabo al mantener la temperatura en el encierro 14 a nivel 44 de temperatura. Durante los pasos DI a D4 ¡ de difusión, se realiza una inyección de un gas de i nitruración en el encierro 14. Un paso de temple Q de la carga 10, por ejemplo, un temple con gas, cierra el ciclo de carbonitruración . Durante los pasos H, PH, pasos Cl a C4 de enriquecimiento y pasos DI a D4 de difusión, se mantiene un vacío en el encierro 14 a presiones de unos pocos cientos de pasca..es (unos pocos milibares) . De acuerdo a una variación de la invención, durante cada paso de carburación, la inyección de gas de carburación se realiza por impulsos.
El gas de carburación por ejemplo es propano (C3H8) o acetileno (C2H2) . También puede haber cualquier otro hidrocarburo (CXHY) probablemente para asociarse a las temperaturas del encierro para carburizar la superficie de las partes que se van a procesar. El gas de nitruración por ejemplo es amoniaco (NH3) . Con referencia al diagrama de la Figura 3, se puede hacer que un hidrocarburo (CXHY) arribe en la entrada 22 de la válvula 30, se puede hacer que el nitrógeno arribe en la entrada 24 de la válvula 32, se puede hacer que el nitrógeno arribe en la entrada 36 de la válvula 34, y se puede hacer que amoniaco arribe en la entrada 28 de la válvula 36. La inyección del gas de nitruración se puede realizar durante algunos de los pasos de difusión únicamente. Adicionalmente, durante un paso de difusión duran:e el cual se inyecta gas de nitruración, se puede
I realizar la inyección del gas de nitruración durante parte sólo del paso de difusión. Se puede inyectar un gas neutral, por ejemplo, nitrógeno (N2) , para todos los pasos de enriquecimiento y difusión, sólo durante los pasos de difusión, o sólo durante parte de los pasos de difusión. La inyección del gas neutral se regula para mantener la presión en el encierro 14 constante. Cuando se inyectan simultáneamente el gas de nitruración y el gas neutral, las proporciones relativas del gas de nitruración y del gas neutral se determinan de acuerdo al perfil deseado de
concentración de nitrógeno en sus partes procesadas. Adicionalmente, las proporciones relativas del gas de nitruración y del gas neutral pueden ser diferentes para cada paso de difusión durante el cual se inyecten simultáneamente en el encierro 14 el gas de nitruración y el gas neutral. j De acuerdo a una modalidad alternativa de la presente invención, todos los gases inyectados en el encier|ro 14 del horno 10 o algunos de ellos se pueden mezclar antes de la inyección en el encierro 14. Esta variación permite por ejemplo, durante los pasos del aumento H de temperatura y de la compensación PH de temperatura, inyectar directamente en el encierro 14 una mezcla de nitrógeno e hidrógeno del tipo que contiene una proporción de hidrógeno menor de 5 % en volumen, esta proporción de hidrógeno que excluye cualquier riesgo de explosión. De acuerdo a la presente modalidad de la presente invenc:.ón, el método de carbonitruración se implementa sin variación de presión y las inyecciones del gas de carburación y del gas de nitruración (y/o posiblemente del gas neutral) , durante los pasos de enriquecimiento y difusión, son sucesivas y la sustitución entre el gas de carburación y el gas de nitruración (y/o posiblemente el gas neutral) probablemente va a presentarse más rápido. I La Figura 5 muestra un ejemplo de un perfil de concentración de masa del elemento nitrógeno que se ha
difundido en un parte procesada de acuerdo a la profundidad, medida! desde la superficie de la parte, cuando el gas de carburación es propano y el gas de nitruración es amoniaco. Las Figuras 6, 7 y 8, ilustran respectivamente un ejemplo de Un método de carbonitruración de acuerdo a la presente invención y los perfiles de concentración de carbono y nitrógeno obtenidos para este método de carbonitruración en el cual el gas de carburación es acetileno y el gas de nitruración es amoniaco. En el presente ejemplo, se realiza la carbonitruración a un nivel de temperatura de 880°C. Como un ejemplo, los pasos de calentamiento H y de compensación PH de temperatura duran al menos 20 minutos y se siguen por una alternación de tres pasos Zl, C2, C3 de enriquecimiento (respectivamente de 123 s, 51 s, y 49 s) y de tres pasos DI, D2 , D3 de difusión (respectivamente de 194 s, 286 s, y 2,957 s). Las Figuras 9, 10 y 11, ilustran respectivamente otro ejemplo de un método de carbonitruración de acuerdo a la presente invención y los perfiles de concentración de carbono y nitrógeno obtenidos por este método de carbonitruración, en los cuales el gas de carburación es acetileno y el gas de nitruración es amoniaco. En el presentíe ejemplo, la carbonitruración se realiza a un nivel de temperatura de 930°C. Los pasos de calentamiento H y de compensación PH de temperatura duran respectivamente 29 minutos y 31 minutos y se siguen por una alternación de
abajo ja una profundidad de varios cientos de micrómetros. Para los tres ejemplos mostrados, el contenido obtenido de nitrógeno está en el orden de • 0.2 % a una profundidad de pocos micrómetros. El contenido de nitrógeno entonces disminuye lentamente desde 0.2 % para varios cientos de micrómetros. Como un ejemplo, para la modalidad anteriormente descrita con relación a las Figuras 6, 7 y 8, la concentración de nitrógeno está en el orden de 0.2 % a 30 µm, de 0.14% a 60 µm, de 0.12 % a 130 µm, y de 0.05 % a 200 µm. De acuerdo a una variación de la presente invención, el gas de nitruración se puede inyectar durante el paso H de aumento de temperatura, tan pronto como la temperatura del encierro 14 excede una temperatura determinada, y/o durante el paso PH de compensación de temperatura. Como un ejemplo, cuando el gas de nitruración es amoniaco, la inyección se puede realizar tan pronto como la temperatura del encierro 14 excede aproximadamente 800°C. El hecho de inyectar el gas de nitruración durante
los pasos de difusión de carbono permite únicamente mejor enriquecimiento de nitrógeno y carbono de las partes procesadas y permite obtener de manera exacta y reproducible los perfiles deseados de concentración de carbono y nitrógeno. En realidad, si el gas de nitruración se inyecta simultáneamente con el gas de carburación, se presenta una dilución del gas de carburación y del gas de nitruración. Este [actor no promueve la reacción del carbono que se origina del gas de carburación o la reacción del nitrógeno que se origina del gas de nitruración con la partes que se van a procesar, lo que desacelera el enriquecimiento de las partes con nitrógeno y con carbono. Además, si se mezclan el gas de carburación y el gas de nitruración, es difícil contro Lar de manera exacta el ambiente gaseoso en el encier::o 14, lo que hace difícil la obtención exacta y reproducible de los perfiles de concentración de nitrógeno y carbono de las partes. Además, puesto que la difusión de nitrógeno en las partes de acero es, por las mismas condiciones de procesamiento, más rápida que la difusión de carbono, la inyección de gas de nitruración y del gas de carbur ción en distintos pasos permite modificar más fácilmemte la duración de inyección de cada gas en tanto que asegura, el mantenimiento de una presión constante en el encierro 14. Por supuesto, la presente invención probablemente i va a tener varias alteraciones y modificaciones que se
prese taran para aquéllos expertos en la técnica. Como un ejemp] o, el paso de temple con gas descrito anteriormente se puede reemplazar con un paso de temple con aceite.