MX2014000607A - Metodo para enfriar partes metalicas que han sido sometidas a un tratamiento de nitruracion / nitrocarburacion en un baño de sal fundida; instalacion para la implementacion de ese metodo, y partes metalicas tratadas. - Google Patents

Abstract

De acuerdo con el método: antes de que finalice el tratamiento, se llena un recinto (1) con un agente de enfriamiento líquido que tenga gran capacidad de expansión volumétrica al vaporizarse; estando dispuesto dicho recinto para descargar el oxígeno contenido en él, a fin de crear una atmósfera inerte; se transfiere la totalidad de las partes tratadas al recinto (1); se cierra el recinto (1); se dejan las partes en el recinto durante un periodo de tiempo predeterminado a fin de alcanzar una temperatura a la que la sal se congele y cree una barrera protectora; y se sacan las partes y se las somete a una operación de enjuague.

Description

MÉTODO PARA ENFRIAR PARTES METÁLICAS QUE HAN SIDO SOMETIDAS A UN TRATAMIENTO DE NITRURACION / NITROCARBURACIÓN EN UN BAÑO DE SAL FUNDIDA; INSTALACIÓN PARA LA IMPLEMENTACION DE ESE MÉTODO, Y LAS PARTES METÁLICAS TRATADAS CAMPO DE LA INVENCIÓN La invención se refiere a un procedimiento y una instalación de enfriamiento de partes metálicas que han sido sometidas a un tratamiento de nitruración / nitrocarburación en un baño de sal fundida. La invención se refiere también a las partes asi tratadas.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Quien sea experto en la materia sabe perfectamente utilizar procedimientos que ponen en práctica una difusión termoquimica de nitrógeno, mediante nitruración o nitrocarburación en baños de sales fundidas, a fin de disminuir el coeficiente de fricción y mejorar la resistencia al desgaste por adhesión y abrasión de partes metálicas. Esencialmente estos baños de sal generalmente están constituidos por cianato y carbonato alcalinos. Cuando se alcanza la temperatura de nitruración, el cianato alcalino libera nitrógeno y carbono, que se difunden sobre la superficie de la parte. Los tiempos de tratamiento están comprendidos generalmente entre 20 y 180 minutos, a temperaturas comprendidas entre 400 y 700 °C. Estos procedimientos utilizados industrialmente son conocidos, por ejemplo, bajo las marcas SURSULF o TEÑI FER .

Se sabe que un procedimiento de tratamiento de nitruración / nitrocarburación comprende los siguientes pasos esenciales : • desgrasado de las partes; • precalentamiento; • tratamiento de nitrocarburación; • enfriamiento; · enjuague; • secado.

En el caso de aleaciones ferrosas, este tratamiento induce generalmente la formación de dos zonas características: una primera zona en la superficie, con un espesor comprendido entre 5 y 30 µ?t?, compuesta principalmente por nitruros e ( Fe2 ... 3n) y por nitruros ?' (Fe4N), denominada zona de combinación, seguida por una segunda zona, con espesor comprendido generalmente entre 0.2 y 1.5 mm, caracterizada por la presencia de nitrógeno en solución sólida en los granos de hierro y bajo la forma de nitruros de los elementos de las aleaciones, denominada capa de difusión.

Se han desarrollado diferentes procedimientos de enfriamiento alternativos, después del tratamiento de nitrocarburación, a fin de mejorar ciertas características de las partes tratadas: • se obtiene un mejoramiento de la resistencia a la corrosión de las partes tratadas sustituyendo el enfriamiento mediante templado en agua por un templado en un baño de sal oxidante (380 a 420 °C) . Este tipo de tratamiento, conocido, por ejemplo, bajo las marcas Arcor® o AB1®, produce un óxido de hierro negro (Fe3C>4 ) sobre la superficie tratada; • se obtiene una disminución de la fragilidad o un mejoramiento de la ductilidad de las partes tratadas, sustituyendo el enfriamiento mediante templado en agua, por un enfriamiento más lento, del tipo de enfriamiento en aceite, o todavía más lento, mediante un enfriamiento en aire. El enfriamiento lento es aconsejado igualmente para las partes que no soportan grandes deformaciones. Las partes obtenidas están caracterizadas por la presencia de precipitados de nitruro de hierro ?' -Feí y a"-Fei6N2, paralelos a la unión de los granos en la capa de difusión. La precipitación está unida a la disminución del limite de solubilidad del nitrógeno en el hierro, con la temperatura.

En el caso de un tratamiento industrial de las partes, éstas son dispuestas en una estantería metálica a fin de facilitar su transportación, por ejemplo, por medio de robots entre las diferentes estaciones de tratamiento. Por cuestiones de productividad, el llenado de la estantería metálica se efectúa al máximo, de manera que las partes metálicas pueden quedar en contacto unas con otras. La transferencia de las partes después del baño de nitruración, hasta la zona de enfriamiento, se efectúa de acuerdo con un tiempo tal, que al contacto con el aire ambiental aparecen máculas de oxidación o de decoloración superficial en la superficie de una porción más o menos importante de las partes tratadas. Los análisis efectuados en laboratorio han demostrado que, a partir de un tiempo de transferencia superior a alrededor de 30 segundos, se observa la aparición de máculas de oxidación en algunas porciones solamente; mientras que a partir de un tiempo de transferencia del orden de 120 segundos, el conjunto de piezas se oxida. O bien, el tiempo de transferencia industrial entre dos zonas de tratamiento sucesivas, generalmente está comprendido entre estos dos valores.

Se debe hacer notar igualmente que un enfriamiento en aire induce forzosamente una oxidación superficial de las partes .

Es bien evidente que la presencia de esas máculas de oxidación no es aceptable para determinadas aplicaciones. No solamente dichas máculas son per udiciales para el aspecto de las partes, sino que también para su utilización, principalmente en el caso de aplicaciones estrictas en términos de la limpieza de las superficies. En efecto, las zonas oxidadas generan polvos que pueden dar lugar, en presencia de lubricantes, a agregados que provocan un desgaste abrasivo dañino para la aplicación contemplada.

En el estado actual de la técnica, las soluciones industriales propuestas no permiten garantizar un tratamiento de nitruración / nitrocarbura-ción en baño de sal fundida, con un nivel de propiedad y de aspecto suficiente; dicho de otra manera, sin vestigios de oxidación en el conjunto de las partes tratadas.

Con respecto a esto, es conveniente recordar que el campo técnico de la invención se refiere a un tratamiento industrial de partes que no es comparable con un tratamiento de nitruración / nitrocarburación, efectuado a escala de laboratorio, donde las partes no son tratadas más que en cantidades pequeñas. En el laboratorio, consecuentemente, es posible, después del baño de nitruración, transferir las parte de manera suficientemente rápida para evitar la oxidación cuando se efectúa un enfriamiento, por ejemplo, en agua .

Se concibe que esto no es posible en un plano industrial, cuando es cuestión de tratar simultáneamente un número importante de partes, lo que engendra un porcentaje de rechazos importante. Incluso al reducir al máximo el tiempo de transferencia de las partes, principalmente entre la zona de tratamiento y la zona de enfriamiento, se considera necesario efectuar un control visual y un escrutinio unitario de las partes para garantizar la ausencia de vestigios de oxidación .

La patente US 3,560,271 se refiere a un procedimiento de nitruración en baño de sal fundida, que tiene como objetivo retardar el enfriamiento después de la nitruración, con la finalidad de limitar el nivel de constricción para limitar, como consecuencia, los riesgos de fisuración de la capa. Se efectúa el enfriamiento al vacio, únicamente mediante radiación, lo que conduce a tiempos de enfriamiento difícilmente compatibles con un proceso industrial (desde varias horas a varias decenas de horas) .

Además, la utilización de dicho procedimiento no permite garantizar la ausencia total de vestigios de oxidación en el marco del tratamiento de un gran número de partes, que hace necesarios tiempos de transferencia relativamente elevados entre la estación de tratamiento y la estación de enfriamiento (o sea, durante la transferencia de las cargas, la inercia masiva impone fases de estabilización de las cargas de las partes después de la desaceleración, principalmente durante las transferencias horizontales, por lo tanto, tiempos de transferencia mínimos) .

Por lo tanto, del análisis del estado de la técnica, resulta que las soluciones industriales utilizadas no permiten garantizar un tratamiento de nitruración / nitrocarburación en baño de sal fundida, con un nivel de propiedad y de aspecto suficientes; dicho de otra manera, sin vestigios de oxidación en una porción de las partes tratadas o en todas ellas.

Se observa, igualmente, que no es posible, sobre todo en el caso de un tratamiento industrial, obtener partes que presenten al mismo tiempo suficiente ductilidad y ausencia de vestigios de oxidación.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN La invención tiene como objetivo remediar estos inconvenientes de una manera simple, segura, eficaz y racional .

Por consiguiente, el problema que se propone resolver la invención es garantizar, en el caso de un tratamiento industrial de partes metálicas que han sido sometidas a un tratamiento de nitruración / nitrocarburación en baño de sal fundida, la ausencia de vestigios de corrosión - oxidación, lo que tiene como objetivo mejorar su ductilidad.

Para resolver ese problema, se ha concebido y puesto a punto un procedimiento de enfriamiento de partes metálicas que han sido sometidas a un tratamiento de nitruración / nitrocarburación en baño de sal fundida, de acuerdo con el cual : - antes de finalizar el tratamiento, se llena con un agente refrigerante en forma liquida, y que tiene una fuerte capacidad de expansión volumétrica durante su vaporización, un recinto adecuado para evacuar el oxigeno contenido en dicho entorno, a fin de crear una atmósfera inerte; - se transfiere el conjunto de partes tratadas al recinto ; — se cierra el recinto; - se dejan las partes en el recinto durante un tiempo determinado para alcanzar una temperatura a la que se congele la sal y constituya una barrera de protección; - se retiran las partes y se las somete a una operación de enjuague.

Ventajosamente, el agente refrigerante es nitrógeno liquido, que se vaporiza muy rápidamente gracias al calor del baño de las partes. Dicha vaporización producirá un volumen de gas aproximadamente 630 veces superior, lo que va a evacuar muy rápidamente el oxigeno que se encuentra en el interior del recinto. Se obtiene asi un enfriamiento de las partes lento al nivel metalúrgico del término, pero suficientemente rápido para ser compatible con un proceso industrial, bajo atmósfera inerte, lo que garantiza un nivel de ductilidad sin riesgo de aparición de máculas de oxidación y, consecuentemente, riesgos de emisión ulterior de polvos.

De acuerdo con otra característica, se llena con nitrógeno líquido el recinto, 2 a 3 minutos antes de finalizar el tratamiento de nitruración / nitrocarburación . A la salida del tratamiento de nitruración / nitrocarburación, se transfieren verticalmente las partes hacia el recinto llenado con nitrógeno líquido, a una velocidad mínima de 6 m/min. Después de enfriar a una temperatura del orden de 350 °C, se enjuaga con agua a una temperatura comprendida entre 40 y 50 °C, y después con agua a una temperatura comprendida entre 15 y 25 °C.

Para llevar a la práctica el procedimiento, se dispone el recinto de enfriamiento en relación directa con la estación de nitruración / nitrocarburación , siendo solidario de un carro de transferencia para la transferencia rápida del conjunto de partes en dicho recinto.

Para resolver el problema de obtener un enfriamiento lento de las partes y una saturación con nitrógeno extremadamente rápida del interior del recinto, sin tener que recurrir previamente a sistemas de bombeo para expulsar el aire inicialmente presente, el recinto está constituido por una cámara de doble pared, en la que se inyecta el nitrógeno liquido, presentando esa doble pared dispositivos para la difusión del nitrógeno en el interior de la cámara.

De acuerdo con otras características, la base de la cámara coopera con medios adecuados para dar libre acceso al interior de la cámara para la transferencia de las partes, y para cerrar el acceso durante la fase de enfriamiento. Los medios están constituidos por portillos solidarios de una parte de la estación de tratamiento.

La invención se refiere igualmente a partes que han sido sometidas a un tratamiento de nitruración / nitrocarburación en baño de sal fundida, de acuerdo con las características del procedimiento reivindicado. Más en general, la invención se refiere a las partes metálicas en las que se observa una ausencia de máculas de oxidación y la presencia de precipitados de nitruro en la zona de difusión.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS DE LA INVENCIÓN A continuación se expone la invención con más detalle, con referencia a las figuras de los dibujos adjuntos, en los que : La figura 1 es una vista en sección, de tipo esquemático, del recinto bajo la forma de una cámara de acuerdo con las características de la invención.

Las figuras 2, 3 y 4 son vistas esquemáticas que muestran las principales fases del procedimiento de tratamiento de acuerdo con las características de la invención.

Las figuras 5A-5B, 6A-6B, 7A-7B, 8A-8B y 9A-9B, muestran una muestra de partes después de un tratamiento de 60 minutos en un baño de nitrocarburación SURSULF (CN-: 4.15 por ciento; CON- 30.5 por ciento), a 580 °C, y enfriada de acuerdo con el estado anterior de la técnica, y en diferentes condiciones (figuras 5A-5B; 6A-6B, 7A-7B y 8A-8B) y de acuerdo con la invención; es decir, bajo nitrógeno líquido (figuras 9A-9B) ; con cada muestra está asociada la correspondiente sección micrográfica .

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La instalación para la nitruración / nitrocarburación en baño de sal fundida, de las partes metálicas, no está descrita detalladamente ya que es perfectamente conocida por los expertos en la materia, y ser susceptible de presentar diferentes variantes de ejecución.

La instalación está adaptada para tratar de manera industrial las partes; es decir, no de manera unitaria, sino por lotes, disponiendo, por ejemplo, dichas piezas, en una estantería metálica, a fin de facilitar su transferencia mediante robots entre las diferentes estaciones de tratamiento .

De acuerdo con la invención, está dispuesto un recinto de enfriamiento (1) en relación directa con la estación de nitruración / nitrocarburación, que es solidaria de un carro de transferencia para transferir rápidamente el conjunto de partes consideradas (P) a dicho recinto (1) . Como se indica, las partes (P) están dispuestas, por ejemplo, en una estantería (R) .

De acuerdo con una característica importante de la invención, el recinto (1) está constituido por una cámara de doble pared (la) en la que se inyecta el nitrógeno líquido. Esa doble pared (la) presenta medios para la difusión del nitrógeno líquido en el interior de la cámara (1) . Por ejemplo, la doble pared (la) presenta tabiques (Ib) para la difusión del nitrógeno líquido a través de orificios calibrados (le) . La alimentación de nitrógeno líquido se efectúa mediante cualquier medio conocido y apropiado (2). La cámara (1) está conectada con el carro de transferencia. La abertura de la cámara, situada en su extremo inferior, coopera con las puertas (3) y (4), solidarias de la estación de nitrocarburación, Figura 1.

Se hace referencia a las figuras 2, 3 y 4, que muestran las principales fases del procedimiento con base en las características de la invención. El tratamiento de nitrocarburación, como tal, puede ser, por ejemplo, del tipo conocido bajo la marca SURSULF, TENIFER, etc. La duración del tratamiento comprende, en general, entre 20 y 180 minutos y típicamente, del orden de 50 a 60 minutos. La cámara (1) está dispuesta debajo del baño (T) en el que es templado el conjunto de partes (P) dispuestas en la estantería (R) . Las puertas (3) y (4) están abiertas (figura 2) .

Algunos minutos, por ejemplo, 2 a 3, antes de que termine el procedimiento de nitrocarburación, se inyecta nitrógeno líquido (A) a través de la doble pared (la), como se indicó más arriba, a fin de evacuar muy rápidamente el oxigeno que se encuentra en el interior de la cámara (1), a fin de permitir que las partes (P) tengan un enfriamiento metalúrgicamente lento, bajo atmósfera inerte (figura 3) .

En la figura 4 se transfiere el conjunto de partes (P) al interior de la cámara (1), llenada con nitrógeno liquido (A) . Se efectúa la transferencia a una velocidad rápida, del orden de 6 m/min. A continuación se cierran las puertas (3) y (4), para efectuar la operación de enfriamiento propiamente dicha. En función de la masa de partes, se efectúa el enfriamiento durante un tiempo determinado, para alcanzar alrededor de 350 °C en ausencia de oxigeno, observándose que por debajo de esa temperatura ya no hay oxidación. Este tiempo es típicamente inferior, o sensiblemente igual, a los tiempos de tratamiento por nitruración o nitrocarburación de las partes.

Se debe notar que la velocidad de 6 m/min depende de la distancia entre el nivel del baño de nitruración y la entrada en la cámara; por lo tanto, dicha velocidad puede ser inferior o superior, según el caso: cuanto más elevada sea la velocidad, serán más correctos los resultados.

Después de este enfriamiento, se procede a enjuagar el conjunto de piezas; dicho enjuague puede ser efectuado en un agua llevada a una temperatura de 40 a 50 °C, y después en un agua llevada a una temperatura del orden de 20 °C.

Se hace referencia ahora a las figuras 5A-5B, 6A-6B, 7A- 7B, 8A-8B y 9A-9B, que muestran los resultados obtenidos en partes tratadas de acuerdo con las soluciones del estado anterior de la técnica, figuras 5A-5B; 6A-6B, 7A-7B, 8A-8B, y de acuerdo con la invención, figuras 9A-9B.

En las figuras 5A-5B, 6A-6B, 7A-7B, 8A-8B, se efectúa el enfriamiento de acuerdo con el estado de la técnica anterior mediante un templado de las partes en agua, ya sea inmediatamente después del tratamiento de nitruración / nitro-carburación (lo que es imposible en condiciones industriales) , figuras 5A-5B; ya sea después de un tiempo más o menos largo después del tratamiento, por ejemplo, 30 segundos después del tratamiento (figuras 6A-6B) , 60 segundos después del tratamiento (figuras 7A-7B) y 120 segundos después del tratamiento (figuras 8A-8B) .

En las figuras 5A-5B se aprecia la ausencia de máculas de oxidación en las partes, y una ausencia de precipitados de nitruro en la capa de difusión. En las figuras 6A-6B, 7A-7B y 8A-8B se observa la aparición de máculas de oxidación (máculas negruzcas) y, sobre todo, un aumento claro del número de zonas oxidadas al aumentar el tiempo entre la salida del baño y el templado en agua.

Paralelamente a la aparición de estas zonas oxidadas, se puede observar en los cortes micrográficos la aparición de un número creciente de precipitados de nitruro de hierro, paralelos al plano de las uniones de los granos. Dicha aparición es característica de un enfriamiento lento, y está ligada a la disminución del límite de la solubilidad en nitrógeno, con la temperatura.

Por lo tanto, de los ensayos efectuados en las condiciones relevantes de las figuras 6A-6B, 7A-7B y 8A-8B, se aprecia que el enfriamiento con agua después de la nitruración / nitrocarburación, no permite obtener de manera industrial partes apropiadas dúctiles; es decir, sin vestigios de oxidación, y con presencia de precipitados de nitruro en la zona de difusión.

De acuerdo con la invención, el enfriamiento en nitrógeno liquido, figuras 9A-9B, muestra claramente la ausencia de vestigios de oxidación superficial y la presencia de precipitados de nitruro, como consecuencia de las propiedades mecánicas mejoradas.

Se hace referencia ahora a la siguiente tabla que muestra la medida de la dureza (R. : la medida de la rugosidad no influye en nada) en partes después de 60 minutos de tratamiento en un baño de nitrocarburación (CN-: 4.15 por ciento; CON- 30.5 por ciento) a 580 °C, de acuerdo con las condiciones de análisis efectuadas y mostradas en las figuras 5A-5B; 6A-6B, 7A-7B, 8A-8B y 9A-9B; es decir, el enfriamiento por templado en agua, inmediatamente después de la salida del baño de tratamiento (columna A) , el templado en agua 30 segundos después de la salida del baño de tratamiento (columna B) , el templado en agua 60 segundos después del tratamiento (columna C) , el templado en agua 120 segundos después del tratamiento (columna D) y el enfriamiento en nitrógeno liquido (columna E) .

Las ventajas aparecen fácilmente de la descripción; en particular, se subraya y se resalta: - con relación a un enfriamiento en agua, el procedimiento de acuerdo con la invención mejora la ductilidad de las piezas y limita los riesgos de deformación por un enfriamiento lento; - con relación a un enfriamiento en aire o en agua, en el caso de un procedimiento industrial, el procedimiento de acuerdo con la invención garantiza un aspecto correcto de las partes, que es el resultado de la ausencia de vestigios de corrosión después del tratamiento, con lo que se mejora su estado apropiado.

Claims (10)

REIVINDICACIONES

1. - Procedimiento de enfriamiento de partes metálicas que han sido sometidas a un tratamiento de nitruración / nitrocarburación en baño de sal fundida, caracterizado porque : - antes de finalizar dicho tratamiento, se llena un recinto (1) con agente refrigerante, en forma liquida, y que tiene una gran capacidad de expansión volumétrica durante su vaporización, adecuado para evacuar el oxigeno contenido en dicho recinto, a fin de crear una atmósfera inerte; - se transfiere el conjunto de partes tratadas al recinto ( 1 ) ; - se cierra el recinto (1); - se dejan las partes en el recinto durante un tiempo determinado para alcanzar una temperatura a la cual se coagula la sal y forma una barrera de protección; - se retiran las partes para someterlas a una operación de enjuague.

2. - Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el agente refrigerante es nitrógeno liquido .

3. - Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque se llena el recinto con nitrógeno liquido 2 a 3 minutos antes de que finalice el tratamiento de nitruración / nitrocarburación.

4. - Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque se transfieren las partes al recinto lleno de nitrógeno liquido, a una velocidad mínima de 6 m/min .

5.- Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque se enjuaga con agua a una temperatura comprendida entre 40 y 50 °C; después con agua a una temperatura de alrededor de 20 °C.

6.- Instalación para poner en práctica el procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, y que comprende una estación de nitruración / nitrocarburación en baño de sal fundida, para el tratamiento de un conjunto de partes, caracterizada porque está dispuesto un recinto de enfriamiento (1) en relación directa con la estación de nitruración / nitrocarburación, y que es solidario de un carro de transferencia para la transferencia rápida del conjunto de partes a dicho recinto.

7. - Instalación de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizada porque el recinto está constituido por una cámara de doble pared (la) en la que se inyecta el nitrógeno liquido; dicha doble pared (la) presenta dispositivos para la difusión del nitrógeno en el interior de la cámara.

8. - Instalación de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizada porque la base de la cámara (1) coopera con medios adecuados para dar libre acceso al interior de la cámara para la transferencia de las partes; y para cerrar ese acceso durante la fase de enfriamiento.

9. - Instalación de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque los medios están constituidos por portillos (3) y (4) solidarios de una porción de la estación de tratamiento.

10. - Las partes metálicas tratadas de acuerdo con el procedimiento definido en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5. RESUMEN DE LA INVENCIÓN De acuerdo con el método: antes de que finalice el tratamiento, se llena un recinto (1) con un agente de enfriamiento liquido que tenga gran capacidad de expansión volumétrica al vaporizarse; estando dispuesto dicho recinto para descargar el oxigeno contenido en él, a fin de crear una atmósfera inerte; se transfiere la totalidad de las partes tratadas al recinto (1); se cierra el recinto (1); se dejan las partes en el recinto durante un periodo de tiempo predeterminado a fin de alcanzar una temperatura a la que la sal se congele y cree una barrera protectora; y se sacan las partes y se las somete a una operación de enjuague.