MÉTODO DE CEMENTACIÓN A BAJA PRESIÓN
La presente invención se refiere al procesamiento de partes metálicas y de manera más específica a la cementación, es decir, la introducción de carbono hasta una profundidad dada de las partes para mejorar sus características mecánicas. En la patente francesa No. 2678287 del solicitante (inventor: Jean Naudot) , se ha descrito ya un método de específico de cementación a baja presión. Esta patente proporciona pasos de enriquecimiento y pasos de difusión, alternantes. Especifica que el gas de cementación puede ser cualquier hidrocarburo capaz de disociarse a las temperaturas de trabajo para cementar las partes que se van a procesar. Sin embargo, este método proporciona de manera más específica el uso de propano como el gas de cementación y nitrógeno como el gas neutral entre las fases de cementación. Adicionalmente, un artículo por Jelle H. Kaspersma y Robert H. Shay publicado en Metallurgical Transactions , volumen 13B, Junio de 1982, estudia las velocidades de cementación enlazadas al uso de varios gases de enriquecimiento y los problemas de formación de hollín. Indica que el acetileno es un gas que permite la cementación más rápida, pero con la desventaja a generar la mayoría del
hollín en la cámara de procesamiento. Se han hecho varios intentos para permitir el uso de acetileno en tanto que se soluciona el problema de generación de hollín y alquitrán. La patente Rusa no. 6678978 presentada el 2 de
Junio de 1977 proporciona la inyección de acetileno en la cámara de cementación a una temperatura de 850 a 1000°C, en tanto que varía la presión de 0.01 a 0.95 atmósferas (de 1 a 95 kPa) con una velocidad de cambio de presión de 0.001 a 1 atmósferas por hora. Explica que la cantidad de hollín se reduce especialmente cuando es muy pequeña la velocidad de incremento de presión. Sin embargo, este método es complejo. Hasta donde conocen los solicitantes, el método descrito en esta patente Rusa no ha tenido ninguna explotación industrial y no ha sido posible verificar los resultados de la solución proporcionada. Otra solución se proporciona en la patente de los Estados Unidos no. 5702540 (Kubota) en la cual se sugiere usar acetileno a una presión menor de 1 kPa . Indica que aparecen trazas notables de hollín desde aproximadamente 0.7 kPa y que aparece una cantidad significativa de hollín bajo 1 kPa . Adicionalmente, la descripción de esta solicitud de patente indica que las características de cementación se deterioran entre el exterior y el interior de una parte tan pronto como la temperatura excede 0.3 kPa . Los experimentos
hechos por el solicitante han confirmado la ocurrencia de hollín tan pronto como la presión excede un valor en el orden de 0.5 kPa pero, sin embargo, ha indicado que, para obtener una cementación satisfactoria dentro de las cavidades, o cuando la carga del reactor de cementación es muy alta, se debe incrementar la presión. La solución proporcionada en la patente referida anteriormente no parece de esta manera permitir el uso satisfactorio de acetileno. La presente invención proporciona un nuevo método para permitir el uso eficiente de acetileno y de manera más general de cualquier gas de cementación, probablemente para generar hollín y alquitrán. Para lograr este objeto, la presente invención proporciona un método de cementación a baja presión que consiste del uso de una alternancia de pasos de enriquecimiento a baja presión y de pasos de difusión en la presencia de un gas natural en los cuales, durante los pasos de enriquecimiento, se usa una mezcla de un gas de enriquecimiento y de un gas portador, el gas portador que esta en una proporción de 5 a 50% en volumen del gas de enriquecimiento . De acuerdo a una modalidad de la presente invención, el gas de enriquecimiento es acetileno (C2H2) . De acuerdo a una modalidad de la presente invención, el gas portador es nitrógeno.
De acuerdo a una modalidad de la presente invención, el gas portador es hidrógeno. De acuerdo a una modalidad de la presente invención, el gas portador comprende nitrógeno e hidrógeno en una proporción de 5 a 60%. De acuerdo a una modalidad de la presente invención, la presión en la cámara de cementación es mayor de 1 kPa. De acuerdo a una modalidad de la presente invención, la presión en la cámara de cementación varía entre 1 y 2 kPa . De acuerdo a una modalidad de la presente invención, los pasos de enriquecimiento y difusión se llevan a cabo sustancialmente a la misma presión. De acuerdo a una modalidad de la presente invención, la temperatura de procesamiento está en el orden de 850 a 1200°C. De acuerdo a una modalidad de la presente invención, cada uno de los pasos de enriquecimiento se dividen en sub-pasos de una duración más corta de un minuto separados por sub-pasos de difusión de una duración más corta de medio minuto, de manera preferente en el orden de algunas décimas de segundo. Los objetos, características y ventajas anteriores de la presente invención se analizaran en detalle en la
siguiente descripción no limitante de las modalidades específicas con relación a los dibujos anexos, en los cuales : La figura 1 muestra una pieza de prueba de acero a la cual se aplica un método de cementación; La figura 2 es una curva de la presión contra el tiempo que ilustra las fases sucesivas del método de cementación-difusion; Las figuras de 3 a 6 ilustran los resultados de los experimentos de cementación: en la figura 3, el gas de cementación es C2H2 y la presión es 0.3 kPa, en la figura 4, el gas de cementación es C2H2 y la presión es 0.7 kPa, en la figura 5, el gas de cementación es C2H2 y la presión es 1.2 kPa, y en la figura 6, de acuerdo a la invención, el gas inyectado en las fases de cementación es una mezcla de C2H2 y de nitrógeno y la presión es 1.5 kPa; y La figura 7 ilustra los resultados experimentales que caracterizan la formación de alquitrán en los ciclos sucesivos de cementación. El solicitante ha realizado varios experimentos de cementación en una pieza de prueba del tipo mostrado en la figura 1, formada de un cilindro de acero provisto con un
agujero ciego, y se han realizado las mediciones para la profundidad de cementación de dext fuera de la pieza de prueba y para la profundidad de cementación d?nt dentro del agujero formado en la pieza de prueba. La figura 2 muestra un ciclo de cementación-difusión del tipo descrito en la patente Francesa 2678287 y usado de acuerdo a la presente invención. Las operaciones de cementación-difusión se realizan a temperatura constante y a una presión constante después de una fase inicial de ajuste de temperatura y presión. Las fases E de enriquecimiento durante las cuales se inyecta un gas de cementación en una cámara de cementación que contiene cargas, entre las cuales al menos una pieza de prueba del tipo mostrado en la figura 1, y los pasos de difusión en los cuales se inserta un gas natural en la cámara, se llevan a cabo sucesivamente durante el tiempo. Para variar la profundidad de cementación, se modifican las duraciones y el número de los pasos respectivos de enriquecimiento y difusión. Típicamente, la temperatura varía entre 850 a 1200°C la duración de cada una de las fases de enriquecimiento y/o difusión que está en el orden de unos pocos minutos . Primero, el solicitante ha realizado una serie de experimentos en una pieza de prueba del tipo mostrado en la figura 1 con acetileno puro (C2H2) como un gas de cementación. Las curvas de las figura 3, 4 y 5 corresponden
a tres presiones específicas, mantenidas en las fases de cementación-difusión, es decir, respectivamente, 0.3 kPa para la figura 3, 0.7 kPa para la figura 4, y 1.2 kPa para la figura 5. Cada una de la curvas muestra la dureza de acuerdo a la profundidad de cementación para un punto tomado fura (Ext) de la pieza de prueba y para un punto tomado dentro (Int) de la pieza de prueba. Los diferentes puntos de cada curva resultan de la prueba de varias piezas de prueba que se han sometido a diferentes duraciones de procesamiento. Como se muestra en la figura 3, para una presión en el orden 0.3 de kPa, se pude señalar una gran diferencia entre la profundidad se cementación dentro de la pieza de prueba y fuera de la pieza de prueba, es decir, el resultado obtenido no es satisfactorio puesto que la cementación es insuficiente dentro de la pieza de prueba. Por ejemplo, si se tiene como finalidad una profundidad de cementación de 1 mm, parece que, cuando esta profundidad se obtiene fuera, la profundidad de cementación es sólo 0.4 mm dentro. También se obtiene un resultado pobre en el caso de la figura 4, donde la presión es 0.7 kPa . Cuando la profundidad de cementación fuera es de 1 mm, la profundidad de cementación dentro es de sólo 0.6 mm. Sin embargo, empiezan a ser obtenidos resultados satisfactorios en términos de la cementación desde el tiempo cuando la presión excede 1 kPa. Por ejemplo la figura 5
muestra los resultados obtenidos para una presión de 1.2 kPa; cuando la profundidad de cementación fuera de la pieza de prueba alcanzo 1 mm la profundidad de cementación dentro alcanza 0.8 mm que corresponde a las normas admitidas en general . Además, si la profundidad de cementación dentro de la pieza de prueba hacia la parte superior de la pieza de prueba y hacia el fondo de la pieza de prueba se distinguen, sólo desde el momento cuando la presión excede 0.5 kPa no parece haber una homogeneidad de cementación dentro de la pieza de prueba. La generación de hollín y alquitrán se ha probado y la creación de hollín y alquitrán a parecido ser imperceptible en el caso donde la presión es 0.3 kPa pero llega a ser significativa desde 0.7 kPa . La presente invención proporciona el uso de un ciclo del tipo mostrado en la figura 2, y al inyectar, no por más tiempo un gas puro de cementación, si no una mezcla de un gas de cementación y un gas portador. De manera preferente, la proporción del gas portador se elegirá para estar en el orden de 25 a 50% de la cantidad del gas de enriquecimiento . La figura 6 indica que una cementación satisfactoria sustancialmente idéntica aquella ilustrada en la figura 5 entonces se obtiene, por ejemplo, para una
mezcla de acetileno (C2H2) y nitrógeno (N2) con una presión total de 1.5 kPa y una proporción de aproximadamente 30% de nitrógeno. Sin embargo, en este caso, se soluciona el problema de formación de hollín y alquitrán. La figura 7 muestra la concentración de benceno
(C6H6) observada al final de lo ciclos sucesivos de enriquecimiento. En realidad, la formación de alquitrán implica una fase de generación de compuestos aromáticos tal como benceno y feniletileno. La generación de benceno de esta manera es un buen indicador de la formación de alquitrán y hollín. En la figura 7, las curvas marcadas como C2H2 y C2H2+N2 corresponden respectivamente a los casos descritos con relación a las figuras 5 y 6. Se reconoce que, al usar acetileno puro de acuerdo a la técnica anterior, la concentración de benceno se incrementa de manera significativa al final de cada ciclo de enriquecimiento, que corresponde de manera efectiva a una formación significativa de alquitrán. Sin embargo, en el caso de una mezcla de acetileno (C2H2) y nitrógeno (N2) de acuerdo a la presente invención, la concentración de benceno permanece sustancialmente constante, que corresponde a una formación imperceptible de alquitrán. De manera más general, la presente invención proporciona, en todos los casos donde se realiza una cementación en la presencia de un hidrocarburo alifático en
condiciones donde se presenten problemas de generación de alquitrán y hollín, la adición de un gas neutral. De manera preferente, la proporción del gas neutral se elegirá para estar en el orden de 5 a 50% de la cantidad del gas de enriquecimiento. Los problemas de generación de hollín y alquitrán son presentados muy fuertemente en el caso de acetileno en el cual la presente invención es particularmente útil, pero también se presenta en el caso de otros hidrocarburos, por ejemplo, propano (C3H8) . El gas neutral no necesariamente nitrógeno, si no que puede ser cualquier otro tipo de gas que no este comprendido en la reacción de cementación, por ejemplo, argón o una mezcla de gases. De manera preferente se elegirá nitrógeno debido a su bajo costo. Sin embargo, para requerimientos específicos, si los costos de gas llegan a ser menores, se puede elegir cualquier otro gas neutral o gas portador para solucionar el problema de generación de hollín y alquitrán. El solicitante también ha mostrado en la presente que puede ser una ventaja la adición de hidrógeno en las fases de cementación. Si se adiciona un gas neutral que comprende una proporción de 5 a 40% en volumen de hidrógeno, se obtiene una curva característica perfectamente satisfactoria tal como aquella de la figura 6 (que se va a comparar con aquella de la figura 4 en el caso donde se use
acetileno sólo) . Se puede pensar que la dilución de hidrógeno por el gas portador en las fases de enriquecimiento reduce las reacciones de polimerización de acetileno y sus derivados, que provoca una mejor penetración en las cavidades y una cementación regular. En realidad, aún para una baja presión, se puede obtener entonces una cementación homogénea de las paredes de las cavidades profundas. Una ventaja de esta solución es que también se reduce la cantidad del gas de cementación y de esta manera la contaminación y efluentes de gases . De acuerdo a otra alternativa de la presente invención, el solicitante ha mostrado que la formación de alquitrán se puede reducir adicionalmente al modificar la duración relativa de los ciclos de enriquecimiento (E) y difusión (D) descritos con relación a la figura 2. De manera convencional, por ejemplo, seis ciclos de enriquecimiento y difusión que tienen duraciones en el orden de aquellas indicadas en la siguiente tabla (en segundos) se proporcionan.
El solicitante proporciona la división de cada uno
de los ciclos de enriquecimiento en pasos cortos seguidos con tiempos cortos de difusión. Por ejemplo, se pueden proporcionar pasos de enriquecimiento que tienen una duración máxima de 50 segundos seguidos por un paso de difusión de una duración en el orden de 10 segundos. El primer ciclo de enriquecimiento El entonces comprenderá 10 u 11 pasos de enriquecimiento, cada uno de los cuales se sigue con un paso de difusión de algunas decenas de segundos, el paso final de difusión DI que se mantiene sustancialmente en su duración inicial indicada en la tabla anterior. El segundo ciclo E2 de enriquecimiento comprenderá 4 pasos de enriquecimiento, cada uno de los cuales se sigue con un paso de difusión de algunas decenas de segundos, el paso final de difusión D2 que se mantiene sustancialmente en su duración inicial indicada en la tabla anterior. Y así sucesivamente. La concentración de benceno al final de cada ciclo de enriquecimiento para este modo de operación en impulso se indica la figura 7 por la curva C2H2+N2 (impulso) . Se puede ver que la concentración de benceno se divide sustancialmente por dos con respecto al caso donde se usan convencionalmente ciclos ininterrumpidos. Otras modificaciones de los ciclos, por ejemplo, la elección, para una presión dada, de velocidades variables de flujo, puede dar las horas adicionales.