WO2018131993A1 - Low-pressure carburisation method - Google Patents

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WO2018131993A1
WO2018131993A1 PCT/MX2017/000002 MX2017000002W WO2018131993A1 WO 2018131993 A1 WO2018131993 A1 WO 2018131993A1 MX 2017000002 W MX2017000002 W MX 2017000002W WO 2018131993 A1 WO2018131993 A1 WO 2018131993A1
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carbon
steel
temperature
carburization
minutes
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Application number
PCT/MX2017/000002
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French (fr)
Inventor
Niko MATTHIAS BOUSKA
Original Assignee
Thyssenkrupp Presta De México S.A. De C.V.
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/08Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
    • C23C8/20Carburising
    • C23C8/22Carburising of ferrous surfaces

Definitions

  • the present invention relates to the technical field of metalworking, materials science, fluid dynamics, the calculation of atmospheric pressures, thermochemistry and mechanical strength, since it provides a low pressure carburizing process.
  • Cementation or carburization is one of the oldest methods to produce a hardening on the surface of low carbon steel parts and low carbon alloy steels, generally from 0.08 to 0.25% C.
  • This process consists of supplying carbon to the surface of the steel so that it diffuses inside the piece.
  • This thermochemical treatment is carried out in an endothermic atmosphere plus an enrichment gas, to obtain a sufficient carbon potential, capable of enriching the carbon percentage layer and the time necessary to obtain the desired layer depth, tempering in oil to harden the layer and core of the piece.
  • a subsequent tempering to eliminate the tensions caused during tempering, and obtain that the surface has the resistance, hardness to the required wear and the ductile core.
  • the reactive (endothermic) atmosphere used in this process must protect the steel from oxidation and provide enough carbon to increase its surface content. This increase is based on the adsorption and subsequent diffusion of carbon in the steel at high temperatures, once the carbon penetration is desired, the part is removed by tempering it or normalizing it.
  • LPC low pressure carburation
  • Parts can be carburized between 930 and 1,000 ° C (1,700 and 1,830 ° F).
  • the carburization process can be summarized in the following steps:
  • the carburization can be liquid, solid or gas.
  • controlled fuel atmospheres are used. They are produced by mixing a carrier gas with a rich gas (fuel gas).
  • the latter is usually natural gas (methane), propane or butane.
  • a carrier gas is the endothermic gas, which is produced in an independent generator by mixing, in a certain proportion, a hydrocarbon gas (natural gas, propane or butane) with air. Subsequently, it decomposes at high temperature (1000 ° C) and in the presence of a catalyst in an oven. This is the principle of the endothermic atmosphere generator.
  • the carrier gas is a mixture of CO, H2, N2 and to a lesser extent CO2, CH4 and water vapor.
  • the types of furnaces for gaseous carburization can be divided into two categories: continuous ovens and batch type ovens.
  • batch ovens the pieces are loaded and unloaded from the oven in each batch. The most common are pit, horizontal and fluidized bed furnaces. In all of them, the pieces are placed in baskets or hung with wires, depending on their shape and size. Then, they are introduced into the oven through which the fuel gas circulates, generally agitated by a fan.
  • the oven lid is moved and the basket where the pieces are located is taken out to be taken quickly to another oven (which is at a lower temperature) and then the pieces are passed to the tempering bath.
  • some horizontal furnaces may have an integrated quenching system, in which it is not necessary to remove the part from the fuel atmosphere.
  • the pieces are taken from the oven to a hall that ends in an oil quenching pool. In this case, since the furnace atmosphere also flows into the lobby, oxidation of the pieces before tempering is avoided.
  • composition of the atmosphere As secondary variables can be named the content of alloys of the piece to be carbureted, and the degree of circulation of the oven atmosphere.
  • TEMPERATURE The maximum speed at which carbon can enter steel is limited by the diffusion rate of carbon in austenite. This diffusion rate increases sharply with increasing temperature. For example, carbon is incorporated into steel 40% faster by going from 870 ° C to 925 ° C.
  • a widely used carburization temperature is 925 ° C, for allowing a reasonably fast carburization rate without excessive deterioration of the interior of the oven. This temperature can be raised to 955 ° C and 980 ° C, shortening the carburization time for parts that require greater layer depth.
  • TIME The carburization time decreases if the temperature increases.
  • the graph was calculated assuming saturated austenite on the surface of the piece. In case of controlling the content of surface carbon, and that this is less than saturation, the layer depth will be less.
  • COMPOSITION OF ATMOSPHERE XA The atmosphere consists of an endothermic gas (produced from methane) that is enriched by the addition of methane, which is ultimately the source of carbon.
  • the main constituents of the resulting fuel atmosphere are: CO, N2, H2, CO2, H2O and CH4.
  • N2 is inert, acting only as a diluent.
  • the parameters that are monitored in order to control the fuel atmosphere are: water vapor content (measuring the dew point of the gas), CO2 content (by infrared gas analysis), amount of O2 (by zirconia sensors
  • the part to be treated is heated in a closed container (box) and in contact with a solid carburization compound.
  • this technique allows more options in terms of selective carburization techniques.
  • solid carburization does not provide flexibility or accuracy regarding the control of process variables and therefore, the final results.
  • the most commonly used commercial carbonization compounds or hardener powders are made up of charcoal, petroleum coke or tar, mixed with 10 to 20% barium carbonates, calcium and sodium.
  • Furnaces heated with coal, gas, fuel oil or electricity are used. In them, the cement boxes are placed, with the pieces and the cementitious mixtures inside. The joints of the boxes must be tightly closed, using mud or refractory clays.
  • the main characteristics that an oven must have to be used in solid carburization are: to provide good thermal capacity, temperature uniformity and to have adequate supports for the boxes.
  • carbon steel containers can be coated with aluminum
  • cast iron welded steel sheets
  • stainless steel Fe-Cr-Ni alloys
  • the function of aluminum as a coating of carbon steel is to extend the life of carbon steel. This significantly reduces the cost of the boxes.
  • the choice of material will depend on the amortization given. That is, the cheapest material could become a Fe-Cr-Ni alloy, with the largest initial investment, but amortized based on the number of years of use and continuity of the
  • the carburization in boxes has the same variables to control as those already mentioned in the carbonated gas: temperature, time and composition of the atmosphere. ⁇ 1 as in carbonated gas, the velocity of formation of the carbureted layer increases rapidly with temperature. The normal temperature range is 815 ° C to 955 ° C. However, in recent years the temperature of carburization has been raised up to 1095 ° C, due to improvements in the manufacturing processes of steel (fine grain practices). Some steels can keep the fine grain up to 1040 ° C. Above this temperature, grain growth would occur after a long enough time. Finally, the increasing improvement of the material of the boxes and the fine grain steels allow the use of a great variety of temperatures.
  • the layer depth at a given carburization temperature is proportional to the square root of time. In this way, the carburization rate is higher at the beginning of the process and gradually decreases over time.
  • the amount of nascent carbon in the generated atmosphere is directly increased by increasing the ratio of carbon monoxide to carbon dioxide. Therefore, the amount of carbon on the surface of the part is greater if energizers and carburization compounds are used that promote the formation of carbon monoxide.
  • liquid carburization the piece is immersed in a bath of carburizing salts at a temperature greater than Acl. Like solid carburization, liquid carburization no longer has the commercial importance it had in the past. This is mainly due to environmental issues, due to the difficulty and cost associated with the disposal of salts, especially those that contain cyanide. In addition, the removal of salts can be very difficult in some parts.
  • the piece Due to the characteristics of the thermal transfer of the salt bath to the piece, the piece heats up much faster and the liquid carburization takes place in less time than the soda. In general, the pieces are tempered after the bath, followed by a temper.
  • Cemented layers of 1 to 3mm are achieved. In general they are used in the range of 875 to 950 ° C. In some cases depths of up to 6mm can be achieved. The most important use of these salts is the rapid formation of 1 to 2mm layers.
  • the salts are arranged in crucibles that can be cast iron, sheet steel (embedded or welded) or refractory stainless steel.
  • the heating of the crucibles can be with coal, gas, gasoline or electricity.
  • a type of electric oven widely used consists of a group of electrodes that are submerged in the bathroom. As the molten salts are conductive, the electric current passes through them and the heat generated by the passage of this current is sufficient for heating the bath. Since solid salts are not conductive of electricity, commissioning is somewhat complicated. It begins by placing between two electrodes a piece of coke of appropriate size, which is pressed between them with an auxiliary iron bar to facilitate contact. The passage of the current heats the coal, which becomes red. Then, the salts around it begin to melt. Subsequently, the rest of the dough is heated and melted. The temperature is regulated with great accuracy by modifying the electrode voltage. Is It is necessary to have bells on the crucibles, to absorb the harmful vapors that are released.
  • the improved vacuum cementation method comprises a cementation treatment of work pieces made of steel material is heated to approximately 900 to 1100 ° C. Performed by introducing an ethylenee gas as a carburation gas at a vacuum of 1 to 10 kPa in a cement kiln chamber.
  • Another object of the present invention is to provide a suitable mixture of gases, the main advantage is the reduction of carbon remnants and therefore less pollution, preserving the original conditions of the carburizing chamber and achieving repeatability between batches.
  • the present invention describes a low pressure carburizing process, it is composed of the following steps:
  • Iv. Inject by means of nozzles, a mixture of gases to generate an atmosphere enriched with carbon, in a time range of 1 to 7 minutes, with a flow range of 75 to 300 liters per minute;
  • viii Cool the carbon steel load using nitrogen as a convective medium; ix. Maintain a temperature between 600 ° C and 700 ° C for a time range of 20 to 90 minutes, to refine the austenitic grain;
  • xii Transport the carbon steel load to the cooling chamber; and, xiii. Dip the carbon steel load in oil for at least 30 minutes.
  • Steps iv to vi are repeated as many times as necessary, to meet the specific specifications.
  • the gas mixture described in step iv is to generate an enriched enough to carburizing areas larger than 20m 2 carbon steels low carbon atmosphere.
  • Said mixture is composed of:
  • Acetylene and Ethylene are in a 3: 1 ratio in a temperature range between 900 ° C and 1000 ° C; and Hydrogen is in a 1: 3 ratio to Acetylene to maintain a clean reaction.
  • Acetylene is used as the main carbon carrier, and Ethylene will increase the efficiency of Acetylene.
  • the low carbon steel parts that are carburized are mainly intended for automotive applications.
  • An advantage of the gas mixture described above is that it allows the reduction of carbon remnants and therefore less pollution, preserving the original conditions of the carburizing chamber and achieving repeatability between lots, in less time, as well as, achieving volumes greater than 200 x 200 x 400 mm, modifying process flows and consumables for a carburizing area greater than 0.4 m 2 .

Abstract

The present invention describes a low-pressure carburisation method which, by means of a suitable mixture of gases, prevents the carbon residue from each process from impregnating the entire surface of the chambers in which the carburisation is being carried out, the chambers, including the thermal insulation and heating elements (graphite resistors), being constructed from graphite, thereby preventing the contamination of the chambers and keeping the chambers in the same conditions, which thus prevents greater variation in the results obtained and reduces energy consumption.

Description

PROCESO DE CARBURIZADO A BAJA PRESIÓN  LOW PRESSURE CARBURIZED PROCESS
CAMPO TÉCNICO DE LA. INVENCIÓN La presente invención se relaciona con el campo técnico de la metalmecánica, la ciencia de los materiales, la dinámica de fluidos, el cálculo de presiones atmosféricas, termoquimica y la resistencia mecánica, ya que aporta un proceso de carburizado a baja presión. TECHNICAL FIELD OF THE. INVENTION The present invention relates to the technical field of metalworking, materials science, fluid dynamics, the calculation of atmospheric pressures, thermochemistry and mechanical strength, since it provides a low pressure carburizing process.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN BACKGROUND OF THE INVENTION
La cementación o carburización, es uno de los métodos más antiguos para producir un endurecimiento en la superficie de piezas de acero de bajo carbono y aceros aleados de bajo carbono, generalmente de 0.08 a 0.25 %C. Dicho proceso consiste en suministrar carbono a la superficie del acero para que se difunda al interior de la pieza. Este tratamiento termoquimico se realiza en una atmósfera endotérmica más un gas de enriquecimiento, para obtener un potencial de carbono suficiente, capaz de enriquecer la capa de porcentaje de carbono y el tiempo necesario para obtener la profundidad de capa deseada, templando en aceite para endurecer la capa y el núcleo de la pieza. Un revenido posterior para eliminar las tensiones originados durante el templado, y obtener que la superficie tenga la resistencia, dureza al desgaste requerido y el núcleo dúctil. Su principal ventaja se presenta al utilizar aceros de bajo carbono que al tener un núcleo blando y superficie dura puede convertirse en una herramienta tenaz, esto obedece al alto contenido de carbono, pero se logra mediante el temple. La principal razón de someter a las piezas a este tratamiento, es para endurecerlas y hacerlas resistentes al uso. Este proceso permite obtener piezas con el corazón blando y la periferia endurecida y se realiza cuando se requiere incrementar el contenido de carbono en la periferia de la pieza. La cementación tiene por objeto endurecer la superficie de una pieza sin modificar su núcleo, originando una pieza formada por dos materiales: la del núcleo de acero (con bajo índice de carbono) tenaz y resistente a la fatiga, y la parte de la superficie (de acero con mayor concentración de carbono) 0,2% de carbono. Cementation or carburization is one of the oldest methods to produce a hardening on the surface of low carbon steel parts and low carbon alloy steels, generally from 0.08 to 0.25% C. This process consists of supplying carbon to the surface of the steel so that it diffuses inside the piece. This thermochemical treatment is carried out in an endothermic atmosphere plus an enrichment gas, to obtain a sufficient carbon potential, capable of enriching the carbon percentage layer and the time necessary to obtain the desired layer depth, tempering in oil to harden the layer and core of the piece. A subsequent tempering to eliminate the tensions caused during tempering, and obtain that the surface has the resistance, hardness to the required wear and the ductile core. Its main advantage is presented by using low carbon steels that, having a soft core and hard surface, can become a stubborn tool, this is due to the high carbon content, but is achieved by hardening. The main reason to subject the pieces to this treatment is to harden them and make them resistant to use. This process allows obtaining parts with a soft heart and hardened periphery and is performed when it is required to increase the carbon content at the periphery of the piece. The purpose of cementing is to harden the surface of a piece without modifying its core, resulting in a piece formed by two materials: that of the steel core (with low carbon index) tenacious and resistant to fatigue, and the part of the surface ( Steel with higher carbon concentration) 0.2% carbon.
Como consecuencia la atmósfera reactiva (endotérmica) empleada en este proceso, deberá proteger al acero de la oxidación y proveer de carbono suficiente para incrementar su contenido en la superficie. Este incremento se basa en la adsorción y posterior difusión del carbono en el acero a altas temperaturas, una vez que la penetración del carbono sea la deseada, se retira la pieza templándola o bien normalizándola. As a consequence, the reactive (endothermic) atmosphere used in this process must protect the steel from oxidation and provide enough carbon to increase its surface content. This increase is based on the adsorption and subsequent diffusion of carbon in the steel at high temperatures, once the carbon penetration is desired, the part is removed by tempering it or normalizing it.
Existe la carburación a baja presión (LPC) que es un proceso en caja que se lleva a cabo en un horno de vacío, utilizando gases de hidrocarburos a muy baja presión y temperaturas elevadas, para obtener una capa superficial endurecida de martensita revenida y un núcleo duro. El tratamiento se utiliza para aumentar la resistencia al desgaste y la fatiga de los componentes. There is low pressure carburation (LPC) which is a boxed process that is carried out in a vacuum furnace, using hydrocarbon gases at very low pressure and elevated temperatures, to obtain a hardened surface layer of martensite turned and a core Lasted. The treatment is used to increase the wear resistance and fatigue of the components.
Los principales beneficios de la carburización a baja presión son: The main benefits of low pressure carburization are:
- La relación entre costado y fondo de la capa carburizada (profundidad de caja) en los engranajes es prácticamente de 1:1 (uniforme) .  - The ratio between side and bottom of the carburized layer (box depth) in the gears is practically 1: 1 (uniform).
- Gran dureza por debajo de la superficie, en comparación con las piezas carburizadas en forma convencional. - Ciclos más rápidos. - High hardness below the surface, compared to conventionally carburized parts. - Faster cycles.
- Las piezas se pueden carburizar entre 930 y 1.000 °C (1.700 y 1.830 °F) .  - Parts can be carburized between 930 and 1,000 ° C (1,700 and 1,830 ° F).
- Penetración de carbono en agujeros ciegos profundos, dando como resultado una dureza uniforme en todo el perfil.  - Carbon penetration in deep blind holes, resulting in a uniform hardness throughout the profile.
- Carburación de pequeños orificios y orificios ciegos.  - Carburetion of small holes and blind holes.
- Limpieza de las piezas innecesaria tras el tratamiento térmico debido al enfriamiento rápido mediante gas a alta presión (enfriamiento rápido seco) .  - Unnecessary cleaning of parts after heat treatment due to rapid cooling by high pressure gas (dry fast cooling).
- Reducción de alteraciones dimensionales por transferencia de calor independiente de la temperatura durante el enfriamiento rápido mediante gas de alta presión.  - Reduction of dimensional alterations by heat transfer independent of temperature during rapid cooling by high pressure gas.
- Propiedades mecánicas mejoradas: eliminación de la capa de oxidación intergranular, incremento de las propiedades de resistencia a la fatiga.  - Improved mechanical properties: elimination of the intergranular oxidation layer, increased fatigue resistance properties.
- Control dimensional: baja distorsión, predecible y repetible .  - Dimensional control: low distortion, predictable and repeatable.
- Respetuoso con el medio ambiente.  - Environmentally friendly.
- Reducción de las etapas de fabricación, como la rectificación, la limpieza y la inspección posteriores. - Reduction of manufacturing stages, such as rectification, cleaning and subsequent inspection.
- Limpieza mejorada de los productos. - Improved cleaning of the products.
- Control preciso de la profundidad de caja, la microestructura y la dureza.  - Precise control of the box depth, microstructure and hardness.
- Mayor uniformidad de la caja de cementación para formas complejas. La uniformidad de la profundidad de la caja puede mantenerse, en la mayoría de los casos, en ± 0,002".  - Greater uniformity of the cement box for complex shapes. The uniformity of the depth of the box can be maintained, in most cases, within ± 0.002 ".
El proceso de carburización puede resumirse en los siguientes pasos : The carburization process can be summarized in the following steps:
a) Calentar la pieza hasta la temperatura de austenización (815-1090 °C) .  a) Heat the piece to the austenization temperature (815-1090 ° C).
b) Someter la pieza a un medio carburante (sólido, liquido o gaseoso) por un determinado tiempo (de algunas horas a dias, dependiendo del medio carburante) . c) Temple la pieza: La superficie carburada, de mayor templabilidad, forma martensita. El núcleo de la pieza, cuya composición química no es alterada, posee menor templabilidad y no forma martensita. b) Subject the piece to a fuel medium (solid, liquid or gas) for a certain time (from a few hours to days, depending on the fuel medium). c) Temper the piece: The carbureted surface, with greater hardenability, martensite shape. The core of the piece, whose chemical composition is not altered, has lower hardenability and does not form martensite.
d) Revenido de la microestructura martensitica superficial .  d) Coming from the superficial martensitic microstructure.
Como consecuencia, se genera un gradiente de dureza, que es mayor en la superficie y decrece hacia el interior. Así se genera una superficie dura (50-65 HRC) y resistente al desgaste, conservando la tenacidad del interior de la pieza. As a consequence, a hardness gradient is generated, which is larger on the surface and decreases inwards. This creates a hard surface (50-65 HRC) and resistant to wear, preserving the toughness inside the piece.
La carburización puede ser líquida, sólida o gaseosa. The carburization can be liquid, solid or gas.
Carburisaaión gaseosa Carbonaceous gas
En este proceso, manteniendo las piezas de 1 a 8 horas en una atmósfera carburante, a temperaturas de 850°C a 950°C, se obtienen capas cementadas de 0.2 a 1.5 mm de profundidad. In this process, keeping the pieces for 1 to 8 hours in a fuel atmosphere, at temperatures of 850 ° C to 950 ° C, cemented layers of 0.2 to 1.5 mm depth are obtained.
Únicamente en casos especiales, como la fabricación de blindajes, se emplean procesos más largos y se obtienen capas cementadas de mayor espesor. Aunque las instalaciones son bastante complicadas y costosas, la cementación de las piezas es muy sencilla y rápida. Se obtienen resultados muy regulares y se pueden cementar grandes cantidades de piezas en muy poco tiempo. En la actualidad, la cementación gaseosa es el método de endurecimiento superficial más empleado en grandes talleres, fábricas de automóviles, motocicletas, etc., donde se preparan cantidades importantes de piezas cementadas y no es muy recomendable para talleres pequeños que trabajan sólo con pequeñas series. Este procedimiento está sustituyendo en muchos casos a la cementación sólida (en cajas), y a la cementación líquida (en baño de sales} . Only in special cases, such as the manufacture of shields, are longer processes used and cemented layers of greater thickness are obtained. Although the installations are quite complicated and expensive, the cementation of the pieces is very simple and fast. Very regular results are obtained and large quantities of pieces can be cemented in a very short time. At present, gas cementation is the method of surface hardening most used in large workshops, car factories, motorcycles, etc., where significant quantities of cemented parts are prepared and is not highly recommended for small workshops that work only with small series . This procedure is replacing in many cases the solid cementation (in boxes), and the liquid cementation (in a salt bath).
Las piezas de aceros de bajo carbono expuestas a atmósferas carburantes (por ejemplo, metano o propano) se carburizarán a temperaturas a partir de 850 °C. En la forma más primitiva de este proceso, la fuente de carbono en la atmósfera carburante era tan rica que se alcanzaba el límite de solubilidad de carbono en austenita para esa temperatura. Como consecuencia, se podría formar Fe3C en la superficie del acero a alta temperatura, por estar la austenita saturada de carbono. Parts of low carbon steels exposed to fuel atmospheres (eg, methane or propane) will be carburized at temperatures from 850 ° C. In the most primitive form of In this process, the source of carbon in the fuel atmosphere was so rich that the limit of carbon solubility in austenite for that temperature was reached. As a consequence, Fe3C could be formed on the surface of the steel at high temperature, since the austenite is saturated with carbon.
Esta no es una condición muy favorable para un temple posterior. Además, si sólo se emplea metano o propano como atmósfera carburante, se genera gran cantidad de hollín sobre toda superficie dentro del horno, incluyendo la pieza. Si bien este modo de carburización todavía se emplea en algunos lugares de recursos limitados, el principal objetivo en la práctica moderna de la carburización gaseosa es poder controlar el contenido de carbono en la atmósfera del horno de forma tal que: This is not a very favorable condition for subsequent tempering. In addition, if only methane or propane is used as a fuel atmosphere, a large amount of soot is generated on any surface inside the oven, including the part. Although this mode of carburization is still used in some places with limited resources, the main objective in the modern practice of carbonated gas is to be able to control the carbon content in the furnace atmosphere in such a way that:
- La concentración de carbono final en la superficie de las piezas se encuentra por debajo del limite de solubilidad de la austenita.  - The final carbon concentration on the surface of the pieces is below the solubility limit of austenite.
- Se minimiza la deposición de hollín en el interior del horno .  - The deposition of soot inside the oven is minimized.
Ésta es la razón por la cual se emplean atmósferas carburantes controladas. Se producen mezclando un gas portador con un gas rico (gas carburante) . Éste último suele ser gas natural (metano), propano o butano. Un tipo de gas portador es el endotérmico, que se produce en un generador independiente mezclando en cierta proporción, un gas hidrocarburo (gas natural, propano o butano) con aire. Posteriormente se efectúa su descomposición a alta temperatura (1000 °C) y en presencia de un catalizador en un horno. Este es el principio del generador de atmósfera endotérmica. De esta forma, el gas portador es una mezcla de CO, H2, N2 y en menor proporción CO2, CH4 y vapor de agua. Tiene la función de diluyente, disminuye la generación de hollín y acelera la reacción de carburización en la superficie de la pieza. Los tipos de hornos para la carburización gaseosa pueden dividirse en dos categorías: hornos continuos y hornos tipo batch. En los hornos tipo batch, las piezas son cargadas y descargadas del horno en cada partida. Los más comunes son los hornos de fosa, horizontales y de lecho fluidizado. En todos ellos, las piezas se colocan en cestas o se cuelgan con alambres, según su forma y tamaño. Luego, se las introduce en el horno a través del cual circula el gas carburante, en general agitado por un ventilador. Terminada la carburización, se desplaza la tapa del horno y se saca la cesta donde se encuentran las piezas para ser llevadas rápidamente a otro horno (que se encuentra a menor temperatura) y luego se pasan las piezas al baño de temple. En particular, algunos hornos horizontales pueden tener un sistema integrado de temple, en el que no es necesario retirar la pieza de la atmósfera carburante. En estos casos, las piezas son llevadas del horno a un vestíbulo que termina en una pileta de temple al aceite. En este caso, dado que la atmósfera del horno también fluye hacia el vestíbulo, se evita la oxidación de las piezas antes del temple. This is the reason why controlled fuel atmospheres are used. They are produced by mixing a carrier gas with a rich gas (fuel gas). The latter is usually natural gas (methane), propane or butane. One type of carrier gas is the endothermic gas, which is produced in an independent generator by mixing, in a certain proportion, a hydrocarbon gas (natural gas, propane or butane) with air. Subsequently, it decomposes at high temperature (1000 ° C) and in the presence of a catalyst in an oven. This is the principle of the endothermic atmosphere generator. In this way, the carrier gas is a mixture of CO, H2, N2 and to a lesser extent CO2, CH4 and water vapor. It has the function of diluent, decreases the generation of soot and accelerates the reaction of carburization on the surface of the piece. The types of furnaces for gaseous carburization can be divided into two categories: continuous ovens and batch type ovens. In batch ovens, the pieces are loaded and unloaded from the oven in each batch. The most common are pit, horizontal and fluidized bed furnaces. In all of them, the pieces are placed in baskets or hung with wires, depending on their shape and size. Then, they are introduced into the oven through which the fuel gas circulates, generally agitated by a fan. Once the carburization is finished, the oven lid is moved and the basket where the pieces are located is taken out to be taken quickly to another oven (which is at a lower temperature) and then the pieces are passed to the tempering bath. In particular, some horizontal furnaces may have an integrated quenching system, in which it is not necessary to remove the part from the fuel atmosphere. In these cases, the pieces are taken from the oven to a hall that ends in an oil quenching pool. In this case, since the furnace atmosphere also flows into the lobby, oxidation of the pieces before tempering is avoided.
En los hornos continuos, las piezas son transportadas a través del horno de un extremo al otro por medio de bandejas o cadenas móviles. Existen varios diseños (rotativos, de retorta rotativos, con cinta transportadora, etc) y también pueden ser diseñados con un sistema integrado de temple. Estos tipos de hornos se caracterizan por la elevada productividad en la carburación de piezas similares. In continuous ovens, the pieces are transported through the oven from one end to the other by means of trays or mobile chains. There are several designs (rotary, rotary retort, with conveyor belt, etc.) and can also be designed with an integrated tempering system. These types of furnaces are characterized by high productivity in the carburation of similar parts.
La operación exitosa en el proceso de carburación gaseosa depende del control de tres variables principales : The successful operation in the gas carburation process depends on the control of three main variables:
i. Temperatura;  i. Temperature;
ii. Tiempo? y,  ii. Weather? Y,
iii. Composición de la atmósfera. Como variables secundarias se pueden nombrar el contenido de aleantes de la pieza a carburar, y el grado de circulación de la atmósfera del horno. TEMPERATURA: La velocidad máxima a la cual el carbono puede ingresar al acero está limitada por la velocidad de difusión del carbono en austenita. Esta velocidad de difusión se incrementa pronunciadamente al incrementar la temperatura. Por ejemplo, el carbono se incorpora en el acero un 40% más rápido al pasar de 870 °C a 925 °C. iii. Composition of the atmosphere As secondary variables can be named the content of alloys of the piece to be carbureted, and the degree of circulation of the oven atmosphere. TEMPERATURE: The maximum speed at which carbon can enter steel is limited by the diffusion rate of carbon in austenite. This diffusion rate increases sharply with increasing temperature. For example, carbon is incorporated into steel 40% faster by going from 870 ° C to 925 ° C.
Una temperatura de carburización muy empleada es 925°C, por permitir una velocidad de carburización razonablemente rápida sin un deterioro excesivo del interior del horno. Esta temperatura puede ser elevada a 955 °C y 980 °C, acortando el tiempo de carburización para piezas que requieran mayor profundidad de capa.  A widely used carburization temperature is 925 ° C, for allowing a reasonably fast carburization rate without excessive deterioration of the interior of the oven. This temperature can be raised to 955 ° C and 980 ° C, shortening the carburization time for parts that require greater layer depth.
A la inversa, en caso de requerir menores profundidades de capa, se emplean menores temperaturas de carburización obteniendo un control mucho más preciso de la capa carburada. Para obtener un resultado consistente en la carburización, la temperatura debe ser uniforme en toda la pieza. Dado que las piezas ubicadas en el exterior de la carga son las primeras en alcanzar la temperatura de carburización, comienzan a carburarse mucho antes que una pieza en el interior de la carga. La consecuencia es una variabilidad en la profundidad de capa de una pieza a otra. Por lo tanto, para mejorar esta situación, en primer lugar se precalienta la carga hasta la temperatura de carburización en una atmósfera endotérmica  Conversely, if lower layer depths are required, lower carburization temperatures are used, obtaining a much more precise control of the carbureted layer. To obtain a consistent result in carburization, the temperature must be uniform throughout the piece. Since the parts located outside the load are the first to reach the carburization temperature, they begin to carbure much earlier than a piece inside the load. The consequence is a variability in the depth of layer from one piece to another. Therefore, to improve this situation, the load is first preheated to the carburization temperature in an endothermic atmosphere
(tanto en los hornos tipo batch como en los continuos) . Una vez alcanzada la temperatura deseada, la carburización comienza cuando se agrega el gas carburante. (both in batch and continuous furnaces). Once the desired temperature is reached, the carburization begins when the fuel gas is added.
TIEMPO: El tiempo de carburización disminuye si la temperatura aumenta. El gráfico fue calculado suponiendo austenita saturada en la superficie de la pieza. En caso de controlar el contenido de carbono superficial, y que éste sea menor al de saturación, la profundidad de capa será menor. TIME: The carburization time decreases if the temperature increases. The graph was calculated assuming saturated austenite on the surface of the piece. In case of controlling the content of surface carbon, and that this is less than saturation, the layer depth will be less.
COMPOSICIÓN DE XA ATMÓSFERA: La atmósfera consiste de un gas endotémico (producido a partir de metano) que es enriquecida por la adición de metano, quien es finalmente la fuente de carbono. COMPOSITION OF ATMOSPHERE XA: The atmosphere consists of an endothermic gas (produced from methane) that is enriched by the addition of methane, which is ultimately the source of carbon.
Los principales constituyentes de la atmósfera carburante resultante son: CO, N2, H2, CO2, H2O y CH4.  The main constituents of the resulting fuel atmosphere are: CO, N2, H2, CO2, H2O and CH4.
De todos estos constituyentes, el N2 es inerte, actuando sólo como diluyente. Of all these constituents, N2 is inert, acting only as a diluent.
Finalmente, las cantidades de CO2 y H2O se mantienen constantes y el cambio en la composición de la atmósfera de carburación resulta en una reducción del contenido de metano y un incremento en la cantidad de H2. De esta forma, los parámetros que se monitorean a fin de controlar la atmósfera carburante son: contenido de vapor de agua (midiendo el punto de condensación del gas), contenido de CO2 (mediante un análisis infrarrojo del gas), cantidad de O2 (mediante sensores de circonia. Finally, the amounts of CO2 and H2O remain constant and the change in the composition of the carburation atmosphere results in a reduction of methane content and an increase in the amount of H2. In this way, the parameters that are monitored in order to control the fuel atmosphere are: water vapor content (measuring the dew point of the gas), CO2 content (by infrared gas analysis), amount of O2 (by zirconia sensors
Carburización aólida Solid carburization
En la carburización sólida, o carburización en cajas, la pieza a tratar es calentada en un contenedor cerrado (caja) y en contacto con un compuesto de carburización sólido. In solid carburization, or carburization in boxes, the part to be treated is heated in a closed container (box) and in contact with a solid carburization compound.
Éste es el método más antiguo de los procesos de carburización, y fue el más empleado durante muchos años. Sin embargo, su uso ha disminuido significativamente en los últimos años debido a las limitaciones inherentes del proceso y a la mejora de las otras técnicas de carburización, principalmente, la carburización gaseosa. A pesar de las limitaciones de este proceso, la carburización sólida aún ofrece algunas ventajas atractivas, lo cual hace que siga siendo empleada en algunos talleres que no requieran producción a gran escala. Las principales ventajas de la carburización sólida son: This is the oldest method of carburization processes, and was the most used for many years. However, its use has declined significantly in recent years due to the inherent limitations of the process and the improvement of the other carburization techniques, mainly, gas carbonylation. Despite the limitations of this process, solid carburization still offers some attractive advantages, which makes it still used in some workshops that do not require large-scale production. The main advantages of solid carburization are:
- Se pueden emplear una gran variedad de hornos, dado que el proceso genera su propia atmósfera contenida en la caja de carburización.  - A great variety of ovens can be used, since the process generates its own atmosphere contained in the carburization box.
- Ideal para piezas que deban ser mecanizadas luego de la carburización y antes del tratamiento térmico final, debido a que se pueden lograr bajas velocidades de enfriamiento desde la temperatura de carburización.  - Ideal for parts that must be machined after carburization and before final heat treatment, because low cooling speeds can be achieved from the carburization temperature.
- Baja distorsión de las piezas durante la carburización, debido a que se emplea el compuesto carburizante para soportar las partes.  - Low distortion of the parts during the carburization, because the carburizing compound is used to support the parts.
- Comparado con la carburización gaseosa, esta técnica permite mayores opciones en cuanto a técnicas de carburización selectiva.  - Compared to carbonated gas, this technique allows more options in terms of selective carburization techniques.
Las principales desventajas de la carburización sólida son: The main disadvantages of solid carburization are:
- No es adecuado para producir capas poco profundas, donde se requiera estrictas tolerancias en cuanto a la profundidad de capa. Esto se debe principalmente a la variación de temperatura en el interior de la caja. Por la misma razón, no todas las piezas dentro de la caja tendrán la misma profundidad de capa.  - It is not suitable for producing shallow layers, where strict tolerances are required in terms of layer depth. This is mainly due to the temperature variation inside the box. For the same reason, not all parts inside the box will have the same layer depth.
- Comparado con la carburización gaseosa, la carburización sólida no proporciona la flexibilidad ni la exactitud en cuanto al control de las variables del proceso y por ende, los resultados finales .  - Compared to gaseous carburization, solid carburization does not provide flexibility or accuracy regarding the control of process variables and therefore, the final results.
- Posee dificultad de templar directamente las piezas desde las cajas. Requiere una operación adicional para pasar la pieza recién carburada al baño de temple, siendo imposible la automatización del proceso de temple al trabajar con grandes serles. - It has difficulty to directly temper the pieces from the boxes. It requires an additional operation to pass the newly carbureted piece to the tempering bath, being impossible the automation of the tempering process when working with large serles.
- Requiere de mayor tiempo de procesamiento debido al calentamiento y enfriamiento de la caja y del compuesto de cementación .  - It requires more processing time due to the heating and cooling of the box and the cementing compound.
- Mayor consumo de combustible/electricidad, como consecuencia del item anterior.  - Higher fuel / electricity consumption, as a consequence of the previous item.
- Requiere considerable mano de obra. Elevado costo de preparación y colocación de las piezas en las cajas.  - Requires considerable labor. High cost of preparation and placement of the pieces in the boxes.
- Posee problemas medio-ambientales asociados a la disposición de compuestos de carburización que contienen bario.  - It has environmental problems associated with the disposal of carburization compounds containing barium.
Los compuestos de carburización o polvos endurecedores comerciales más empleados están formados por carbón vegetal, coque de petróleo o alquitrán, mezclado con 10 a 20 % de carbonatos de bario, calcio y sodio. The most commonly used commercial carbonization compounds or hardener powders are made up of charcoal, petroleum coke or tar, mixed with 10 to 20% barium carbonates, calcium and sodium.
En caso de emplearse sólo carbón como polvo endurecedor, se obtendrían capas carburadas con un contenido de carbono inferior a 0.65%. Mezclándolo en cambio con carbonatos alcalinos o alcalino-térreos, se alcanza hasta 1.20% de carbono en la superficie. Por ello, estos carbonatos se llaman activadores . Por otro lado, en la antigüedad se pensaba que la transferencia del carbono al acero ocurría directamente del carbono sólido proveniente del compuesto de carburización. Sin embargo, si se coloca una pieza de acero rodeado de materias carburantes y se calienta a 925°C en el vacio, no habría gases alrededor de la pieza y el acero no absorberla carbono. De esta forma, se puede comprobar que los verdaderos agentes carburantes son los gases que se desprenden del polvo endurecedor a alta temperatura.  If only coal is used as a hardener powder, carbonated layers with a carbon content of less than 0.65% would be obtained. Mixing it instead with alkaline or alkaline earth carbonates, up to 1.20% of carbon is reached on the surface. Therefore, these carbonates are called activators. On the other hand, in ancient times it was thought that the transfer of carbon to steel occurred directly from the solid carbon from the carburization compound. However, if a piece of steel is placed surrounded by fuels and heated to 925 ° C in a vacuum, there would be no gases around the part and the steel would not absorb carbon. In this way, it can be verified that the true fuel agents are the gases that are released from the high temperature hardening powder.
El éxito de la cementación sólida depende en gran parte de la aptitud del medio carburante para suministrar y rodear la superficie del acero con carbono, en un estado que se puede llamar activo. De esta forma, la absorción del carbono por el acero se efectúa rápidamente. La experiencia ha demostrado que el carbono naciente que se forma en el interior de las cajas de cementación al descomponerse el óxido de carbono, se encuentra en un estado muy favorable para que se produzca la cementación. The success of solid cementation depends largely on the ability of the fuel medium to supply and surround the carbon steel surface, in a state that can be called active. In this way, the absorption of carbon by steel takes place quickly. Experience has shown that the nascent carbon that forms inside the cement boxes when the carbon oxide decomposes, is in a very favorable state for the cementation to occur.
Se emplean hornos calentados con carbón, gas, fuel oil o electricidad. En ellos, se colocan las cajas de cementar, con las piezas y las mezclas cementantes dentro. Las juntas de las cajas deben quedar bien cerradas, empleando barro o arcillas refractarias . Furnaces heated with coal, gas, fuel oil or electricity are used. In them, the cement boxes are placed, with the pieces and the cementitious mixtures inside. The joints of the boxes must be tightly closed, using mud or refractory clays.
Las principales características que debe tener un horno para ser empleado en la carburización sólida son: proveer buena capacidad térmica, uniformidad en la temperatura y tener soportes adecuados para las cajas. The main characteristics that an oven must have to be used in solid carburization are: to provide good thermal capacity, temperature uniformity and to have adequate supports for the boxes.
En cuanto al material de las cajas, se puede utilizar recipientes de aceros al carbono (puede estar revestido con aluminio) , fundición, chapas de acero soldado, acero inoxidable o aleaciones Fe-Cr-Ni para altas temperaturas . La función del aluminio como revestimiento del acero al carbono, es la de extender la vida útil del acero al carbono. Esto reduce significativamente el costo de las cajas. La elección del material dependerá de la amortización que se le dé. Es decir, el material más barato podría llegar a ser una aleación Fe-Cr- Ni, con la mayor inversión inicial, pero amortizada en función de la cantidad de años de uso y continuidad de la As for the material of the boxes, carbon steel containers (can be coated with aluminum), cast iron, welded steel sheets, stainless steel or Fe-Cr-Ni alloys can be used for high temperatures. The function of aluminum as a coating of carbon steel is to extend the life of carbon steel. This significantly reduces the cost of the boxes. The choice of material will depend on the amortization given. That is, the cheapest material could become a Fe-Cr-Ni alloy, with the largest initial investment, but amortized based on the number of years of use and continuity of the
producción. production.
Es conveniente que las cajas posean patas o queden colocadas cobre apoyos para que penetre el calor por debajo y la cara inferior se pueda calentar con facilidad. La carburización en cajas tiene las mismas variables a controlar que las ya comentadas en la carburización gaseosa: temperatura, tiempo y composición de la atmósfera. Ά1 igual que en la carburización gaseosa, la velocidad de formación de la capa carburada se incrementa rápidamente con la temperatura. El rango de temperatura normal es 815°C a 955°C. Sin embargo, en los últimos años la temperatura de carburización ha sido elevada hasta 1095°C, debido a las mejoras en los procesos de fabricación del acero (prácticas de grano fino) . Algunos aceros pueden mantener el grano fino hasta los 1040°C. Por encima de esta temperatura, el crecimiento de grano ocurriria luego de un tiempo lo suficientemente largo. Finalmente, la creciente mejora del material de las cajas y los aceros de grano fino, permiten el uso de una gran variedad de temperaturas . It is convenient that the boxes have legs or are placed copper supports so that the heat penetrates below and the underside can be heated easily. The carburization in boxes has the same variables to control as those already mentioned in the carbonated gas: temperature, time and composition of the atmosphere. Ά1 as in carbonated gas, the velocity of formation of the carbureted layer increases rapidly with temperature. The normal temperature range is 815 ° C to 955 ° C. However, in recent years the temperature of carburization has been raised up to 1095 ° C, due to improvements in the manufacturing processes of steel (fine grain practices). Some steels can keep the fine grain up to 1040 ° C. Above this temperature, grain growth would occur after a long enough time. Finally, the increasing improvement of the material of the boxes and the fine grain steels allow the use of a great variety of temperatures.
La profundidad de capa a una determinada temperatura de carburización es proporcional a la raiz cuadrada del tiempo. De esta forma, la velocidad de carburización es mayor al principio del proceso y disminuye gradualmente con el tiempo. The layer depth at a given carburization temperature is proportional to the square root of time. In this way, the carburization rate is higher at the beginning of the process and gradually decreases over time.
En cuanto a la composición de la atmósfera, la cantidad de carbono naciente en la atmósfera generada se incrementa directamente al aumentar la relación de monóxido de carbono a dióxido de carbono. Por lo tanto, la cantidad de carbono en la superficie de la pieza es mayor si se utilizan energizantes y compuestos de carburización que promuevan la formación de monóxido de carbono. As for the composition of the atmosphere, the amount of nascent carbon in the generated atmosphere is directly increased by increasing the ratio of carbon monoxide to carbon dioxide. Therefore, the amount of carbon on the surface of the part is greater if energizers and carburization compounds are used that promote the formation of carbon monoxide.
Aún con un buen control de las variables del proceso, es difícil obtener piezas con una variación en la profundidad de capa menor a 0.25mm. Por ello, las tolerancias comerciales para profundidades de capa en la carburización sólida comienzan en +/-0.25imti. Para mayores profundidades de capa, esta tolerancia puede llegar hasta +/-0.8mm. Menores temperaturas de carburización disminuyen la variación en la profundidad de capa. Even with good control of process variables, it is difficult to obtain parts with a variation in layer depth less than 0.25mm. Therefore, commercial tolerances for layer depths in solid carburization begin at +/- 0.25imti. For higher layer depths, this tolerance can reach up to +/- 0.8mm. Lower carburization temperatures decrease the variation in layer depth.
Debido a la variación de la profundidad de capa, inherente al proceso, y al costo asociado al armado de las cajas, no es común emplear este proceso para piezas que requieran profundidades de capa menores a 0.8mm. Due to the variation of the layer depth, inherent in the process, and the cost associated with the assembly of the boxes, it is not common to use this process for parts that require layer depths less than 0.8mm.
Carburización liquida Liquid carburization
En la carburización liquida, la pieza es inmersa en un baño de sales carburizantes a una temperatura mayor a Acl. Al igual que la carburización sólida, la carburización liquida ya no tiene la importancia comercial que tenia en el pasado. Esto se debe principalmente a cuestiones medioambientales, por la dificultad y costo asociado a la disposición de las sales, sobre todo aquellas que contienen cianuro. Además, la remoción de las sales puede llegar a ser muy difícil en algunas piezas.  In liquid carburization, the piece is immersed in a bath of carburizing salts at a temperature greater than Acl. Like solid carburization, liquid carburization no longer has the commercial importance it had in the past. This is mainly due to environmental issues, due to the difficulty and cost associated with the disposal of salts, especially those that contain cyanide. In addition, the removal of salts can be very difficult in some parts.
Debido a las características de la transferencia térmica del baño de sales a la pieza, la pieza se calienta mucho más rápido y la carburización liquida se realiza en menor tiempo que la gaseosa. En general, las piezas se templan luego del baño, seguido de un revenido. Due to the characteristics of the thermal transfer of the salt bath to the piece, the piece heats up much faster and the liquid carburization takes place in less time than the soda. In general, the pieces are tempered after the bath, followed by a temper.
La mayoría de las sales de carburización contienen cianuro, en cuyos casos se introduce tanto carbono como nitrógeno a la capa. Sin embargo, también hay sales que no contienen cianuro y sólo introducen carbono a la pieza.  Most carburization salts contain cyanide, in which cases both carbon and nitrogen are introduced into the layer. However, there are also salts that do not contain cyanide and only introduce carbon to the piece.
En este proceso se introduce carbono y nitrógeno al acero. La dureza superficial alcanzada puede considerarse casi exclusivamente a la acción del carbono. La influencia del pequeño porcentaje de nitrógeno en la capa es menor y puede ser casi despreciable. Las sales empleadas pueden clasificarse en dos grupos, de acuerdo a la profundidad de capa: In this process carbon and nitrogen are introduced to the steel. The surface hardness achieved can be considered almost exclusively to the action of carbon. The influence of the small percentage of nitrogen in the layer is minor and can be almost negligible. The salts used can be classified into two groups, according to the layer depth:
a) Sales da baja tanperatura o da penetración nedia: Se consiguen capas cementadas de 0.2 a 1.5mm. En general se usan en el rango de 850 a 900°C. En algunos casos específicos, este rango se extiende de 790 a 925°C. a) Salts with low tanperature or average penetration: Cemented layers of 0.2 to 1.5mm are achieved. In general they are used in the range of 850 to 900 ° C. In some specific cases, this range extends from 790 to 925 ° C.
b) Salas da alta tanperatura o da gran penetración: Se consiguen capas cementadas de 1 a 3mm. En general se usan en el rango de 875 a 950°C. En algunos casos se pueden lograr profundidades de hasta 6mm. El uso más importante de estas sales es por la rápida formación de capas de 1 a 2mm. b) Rooms with high tanperature or great penetration: Cemented layers of 1 to 3mm are achieved. In general they are used in the range of 875 to 950 ° C. In some cases depths of up to 6mm can be achieved. The most important use of these salts is the rapid formation of 1 to 2mm layers.
Las sales se disponen en crisoles que pueden ser de fundición, chapa de acero (embutida o soldada) o acero inoxidable refractario. El calentamiento de los crisoles puede ser con carbón, gas, gasolina o electricidad. The salts are arranged in crucibles that can be cast iron, sheet steel (embedded or welded) or refractory stainless steel. The heating of the crucibles can be with coal, gas, gasoline or electricity.
En los hornos eléctricos de mufla debe evitarse el contacto de los vapores de cianuro con las resistencias, dado que las ataca, acortando la vida útil del horno.  In electric muffle furnaces the contact of cyanide vapors with the resistors should be avoided, since it attacks them, shortening the oven's life.
Un tipo de horno eléctrico muy utilizado consta de un grupo de electrodos que quedan sumergidos en el baño. Como las sales fundidas son conductoras, a través de ellas pasa la corriente eléctrica y el calor originado por el paso de esta corriente es suficiente para el calentamiento del baño. Como las sales sólidas no son conductoras de la electricidad, la puesta en marcha es algo complicado. Se comienza colocando entre dos electrodos un trozo de coke de tamaño apropiado, que se presiona entre ellos con una barra de hierro auxiliar para facilitar el contacto. El paso de la corriente calienta el carbón, que llega a ponerse al rojo. Luego, comienza a fundirse las sales que están a su alrededor. Posteriormente se calienta y funde el resto de la masa. La temperatura se regula con gran exactitud modificando el voltaje de los electrodos. Es necesario disponer de campanas sobre los crisoles, para absorber los vapores nocivos que se desprenden. A type of electric oven widely used consists of a group of electrodes that are submerged in the bathroom. As the molten salts are conductive, the electric current passes through them and the heat generated by the passage of this current is sufficient for heating the bath. Since solid salts are not conductive of electricity, commissioning is somewhat complicated. It begins by placing between two electrodes a piece of coke of appropriate size, which is pressed between them with an auxiliary iron bar to facilitate contact. The passage of the current heats the coal, which becomes red. Then, the salts around it begin to melt. Subsequently, the rest of the dough is heated and melted. The temperature is regulated with great accuracy by modifying the electrode voltage. Is It is necessary to have bells on the crucibles, to absorb the harmful vapors that are released.
También existe la carburación a baja prasión con enfriamiento rápido mediante gas a alta presión, la cual se utiliza principalmente para engranajes de transmisión e inyectores de combustible diésel, que requieren una capa carburizada uniforme en todas las superficies de la pieza y un movimiento dimensional minimo. El proceso produce una superficie muy limpia, eliminando asi la necesidad de limpiar la pieza tras el tratamiento térmico. There is also low-pressure carburation with rapid cooling by high-pressure gas, which is mainly used for transmission gears and diesel fuel injectors, which require a uniform carburized layer on all surfaces of the part and minimal dimensional movement. The process produces a very clean surface, thus eliminating the need to clean the part after heat treatment.
Se realizó una búsqueda del estado de la técnica DE PROCESOS DE CARBÜRIZADO A BAJA PRESIÓN y se encontó, el documento de patente número ES2276161 (T3), con el titulo "METODO PARA CARBÜNIZAR A PRESION PIEZAS DE ACERO" publicada el 12 de junio de 2007, dicho documento describe un método para carbunizar a presión piezas de acero mediante la introducción de un portador de nitrógeno activo en la cámara del horno a vacio, usando amoniaco a una presión de 1 a 500 mbar, caracterizado porque el amoniaco se empieza a introducir en la cámara del horno a vacio en el momento en el que la carga alcanza la temperatura de 400°C, y se introduce de forma continua en la cámara hasta el momento en el que la carga alcanza la temperatura necesaria para comenzar el proceso de cementación, es decir, el momento en el que se empieza a introducir el portador de carbón.  A search of the state of the art of LOW PRESSURE CARBÜRIZED PROCESSES was carried out and the patent document number ES2276161 (T3) was found, with the title "METHOD FOR PRESSURE CARBÜNIZING STEEL PARTS" published on June 12, 2007 , said document describes a method for pressurizing carbon steel parts by introducing an active nitrogen carrier in the vacuum oven chamber, using ammonia at a pressure of 1 to 500 mbar, characterized in that the ammonia begins to be introduced into the vacuum chamber of the oven at the moment in which the load reaches the temperature of 400 ° C, and is continuously introduced into the chamber until the moment in which the load reaches the temperature necessary to begin the cementation process, that is, the moment when the coal carrier begins to be introduced.
Otro documento encontrado es la solicitud de patente US5205873 (A), publicada el 27 de abril de 1993, titulada "PROCEDIMIENTO E INSTALACION DE CEMENTACION DE PIEZAS DE ALEACION METALICA A BAJA PRESION", describe una mezcla carburante constituida de Hidrogeno y de Etileno a razón de 2 a 60% de Etileno en volumen y se calienta el horno entre 820 horno (50), llamado de doble vacio, constituido por una cuba (55) con su dispositivo interior de distribución de gases de cementación/carburización, por un espacio anular (56) que rodea la cuba, por una tapa atravesada por conductos de bombeo y de llegada de Hidrogeno (51) y de Etileno (52) que desembocan en los diferentes niveles de la cuba en varios lugares regularmente repartidos, termopares (TC) , un microordenador (61). Su aplicación es en piezas de automóviles . Another document found is the patent application US5205873 (A), published on April 27, 1993, entitled "PROCEDURE AND INSTALLATION OF LOW PRESSURE METAL ALLOY PARTS", describes a fuel mixture consisting of Hydrogen and Ethylene by reason 2 to 60% ethylene by volume and the oven is heated between 820 oven (50), called double vacuum, consisting of a tank (55) with its internal device for distribution of cementation / carburization gases, by an annular space (56) surrounding the tank, by a lid crossed by pumping and arrival ducts of Hydrogen (51) and Ethylene (52) that flow into the different levels of the tank in several regularly distributed places, thermocouples (CT), a microcomputer (61). Its application is in auto parts.
Un documento más, es la patente US 6187111 (Bl), publicada el 13 de febrero de 2001, con el titulo "MÉTODO DE CARBURACIÓN AL VACÍO" y describe un método de carburización de vacio mejorado que sea fácil de manejar o de los costes de mantenimiento y baja sin necesidad de utilizar equipos de gas de hidrógeno o gas acetilénico. El método de cementación de vacio mejorado comprende un tratamiento de cementación de piezas de trabajo hechas de material de acero se calienta a aproximadamente 900 a 1100 DEG C. realizado mediante la introducción de un gas ethylenee como un gas de carburación a un vacio de 1 a 10 kPa en una cámara de horno de cementación. One more document is US 6187111 (Bl), published on February 13, 2001, with the title "VACUUM CARBURATION METHOD" and describes an improved vacuum carburization method that is easy to handle or the costs of maintenance and low without using hydrogen gas equipment or acetylenic gas. The improved vacuum cementation method comprises a cementation treatment of work pieces made of steel material is heated to approximately 900 to 1100 ° C. Performed by introducing an ethylenee gas as a carburation gas at a vacuum of 1 to 10 kPa in a cement kiln chamber.
Por último, está el documento de patente número US 4104129, titulado "CARBURIZACIÓN DE BAJA TEMPERATURA Y DESULFURACIÓN DE CARBÓN BAJO PRESIONES ELEVADAS" y describe un proceso de carburización y desulfuración en que se utilizan las elevadas presiones para que los gases producto contienen suficiente hidrógeno para su uso como una secuencia de reciclaje en la carburización y desulfuración. La elevada presión permite sistemas de recuperación de producto para los productos de gas que utilizan las elevadas presiones de la carburización y desulfuración. Uno de los principales inconvenientes que presentan los procesos de carburización de baja temperatura, es que en los hornos utilizados en procesos de carburización al vacio, las cámaras en donde se lleva a cabo el proceso están construidas de grafito, tanto el aislamiento térmico como los elementos de calentamiento (Resistencias de Grafito) ; durante la producción continua, los remanentes de carbono de cada proceso se irán impregnando en toda la superficie de la cámara, este remanente contaminara la cámara y cambiara las condiciones de ésta, por lo tanto, habrá mayor variación en los resultados obtenidos, además de que el consumo de energía podría verse afectado negativamente debido a este cambio. Finally, there is patent document number US 4104129, entitled "CARBURIZATION OF LOW TEMPERATURE AND DESULFURATION OF CARBON UNDER ELEVATED PRESSURES" and describes a process of carburization and desulfurization in which the high pressures are used so that the product gases contain enough hydrogen for its use as a recycling sequence in carburization and desulfurization. The high pressure allows product recovery systems for gas products that use the high pressures of carburization and desulfurization. One of the main drawbacks of low temperature carburization processes is that in the furnaces used in vacuum carburization processes, the chambers where the process is carried out are made of graphite, both the thermal insulation and the elements heating (Graphite Resistors); during production continuous, the carbon remnants of each process will be impregnated on the entire surface of the chamber, this remnant will contaminate the chamber and change its conditions, therefore, there will be greater variation in the results obtained, in addition to the consumption of Energy could be adversely affected due to this change.
OBJETO PE LA IMVMrClÓK Es por lo tanto el objeto de la presente invención, proporcionar un proceso de carburizado a baja presión, que resuelve los problemas anteriormente descritos. OBJECT PE IMVMrClÓK It is therefore the object of the present invention to provide a low pressure carburizing process, which solves the problems described above.
Otro objeto de la presente invención, es proporcionar una mezcla adecuada de gases, la principal ventaja es la disminución de remanente de carbono y por lo tanto menor contaminación, preservando las condiciones originales de la cámara de carburizado y logrando la repetitividad entre lotes. Another object of the present invention is to provide a suitable mixture of gases, the main advantage is the reduction of carbon remnants and therefore less pollution, preserving the original conditions of the carburizing chamber and achieving repeatability between batches.
DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
La presente invención describe un proceso de carburizado a baja presión, se compone de los siguientes pasos: The present invention describes a low pressure carburizing process, it is composed of the following steps:
i. Precalentar el acero con contenido de carbono de 0.15 a 0.30 %, en una cámara de precalentamiento, utilizando Nitrógeno como medio convectivo a una temperatura mayor a 700°C, la carga de acero permanece en esta temperatura durante un rango de tiempo entre 30 minutos a 90 minutos;  i. Preheat the carbon-containing steel from 0.15 to 0.30%, in a preheating chamber, using Nitrogen as a convective medium at a temperature greater than 700 ° C, the steel charge remains at this temperature for a period of time between 30 minutes at 90 minutes;
ii . Transportar la carga de acero a una cámara calentamiento;  ii. Transport the steel load to a heating chamber;
iii. Calentar al vacio el acero con contenido de carbono hasta una temperatura de carburización mayor a 900 °C, la transferencia de calor se da por radiación y la carga de acero con contenido de carbono permanece en esta temperatura durante un rango de tiempo de 60 minutos a 150 minutos; iii. Heat the carbon-containing steel in vacuo to a carburization temperature greater than 900 ° C, heat transfer occurs by radiation and the carbon-containing steel load remains at this temperature for a time range of 60 minutes to 150 minutes;
Iv. Inyectar por medio de unas boquillas, una mezcla de gases para genere una atmosfera enriquecida de carbono, en un rango de tiempo de 1 a 7 minutos, con un rango de flujo de 75 a 300 litros por minuto;  Iv. Inject by means of nozzles, a mixture of gases to generate an atmosphere enriched with carbon, in a time range of 1 to 7 minutes, with a flow range of 75 to 300 liters per minute;
v. Regular por medio de bombas la presión de la cámara de calentamiento entre 100 y 1000 paséales, para generar el movimiento de la mezcla de gas; vi. Generar un vacio por medio de las bombas, entre 50 y v. Adjust by means of pumps the pressure of the heating chamber between 100 and 1000 passages, to generate the movement of the gas mixture; saw. Generate a vacuum through the pumps, between 50 and
100 pascaies, permitiendo que la temperatura de la cámara de calentamiento se mantenga estable; vii. Transportar la carga de acero con contenido de carbono a una cámara de enfriamiento o a la cámara de precalentamiento; 100 pascaies, allowing the temperature of the heating chamber to remain stable; vii. Transport the carbon-containing steel load to a cooling chamber or preheating chamber;
viii. Enfriar la carga de acero con contenido de carbono utilizando nitrógeno como medio convectivo; ix. Mantener una temperatura entre 600 °C y 700 °C durante un rango de tiempo de 20 a 90 minutos, para refinar el grano austenitico;  viii Cool the carbon steel load using nitrogen as a convective medium; ix. Maintain a temperature between 600 ° C and 700 ° C for a time range of 20 to 90 minutes, to refine the austenitic grain;
x. Transportar la carga de acero con contenido de carbono a la cámara de calentamiento;  x. Transport the carbon steel load to the heating chamber;
xi. Calentar al vacio el acero con contenido de carbono con un rango de temperatura de 820 a 880°C, permitiendo una transferencia de calor por radiación;  xi. Vacuum heating the carbon-containing steel with a temperature range of 820 to 880 ° C, allowing a heat transfer by radiation;
xii. Transportar la carga de acero con contenido de carbono a la cámara de enfriamiento; y, xiii. Sumergir la carga de acero con contenido de carbono en aceite por, al menos, 30 minutos.  xii. Transport the carbon steel load to the cooling chamber; and, xiii. Dip the carbon steel load in oil for at least 30 minutes.
Los pasos iv a vi se repiten las veces que sean necesarias, para cumplir las especificaciones determinadas. La mezcla de gases, descrita en el paso iv es para genere una atmosfera enriquecida de carbono suficiente para carburizar superficies mayores a 20m2 de aceros al bajo carbono. Steps iv to vi are repeated as many times as necessary, to meet the specific specifications. The gas mixture described in step iv is to generate an enriched enough to carburizing areas larger than 20m 2 carbon steels low carbon atmosphere.
Dicha mezcla está compuesta por: Said mixture is composed of:
- 60% Acetileno;  - 60% Acetylene;
- 20% Etileno; e,  - 20% Ethylene; and,
- 20% Hidrógeno  - 20% Hydrogen
Donde el Acetileno y Etileno están en una relación 3:1 en un rango de temperatura entre 900 °C y 1000 °C; y el Hidrógeno se encuentra en una relación 1:3 con respecto al Acetileno para mantener una reacción limpia. El Acetileno es utilizado como principal portador de carbono, y el Etileno aumentara la eficiencia del Acetileno. Where Acetylene and Ethylene are in a 3: 1 ratio in a temperature range between 900 ° C and 1000 ° C; and Hydrogen is in a 1: 3 ratio to Acetylene to maintain a clean reaction. Acetylene is used as the main carbon carrier, and Ethylene will increase the efficiency of Acetylene.
Las piezas de acero al bajo carbón que se carburizan, son destinadas principalmente a aplicaciones automotrices. The low carbon steel parts that are carburized are mainly intended for automotive applications.
Una ventaja de la mezcla de gases descrita anteriormente, es que permite la disminución de remanente de carbono y por lo tanto menor contaminación, preservando las condiciones originales de la cámara de carburizado y logrando la repetitividad entre lotes, en menor tiempo, asi como, lograr volúmenes mayores a 200 x 200 x 400 mm, modificando flujos y consumibles del proceso para un área de carburizado mayor a 0.4 m2. An advantage of the gas mixture described above, is that it allows the reduction of carbon remnants and therefore less pollution, preserving the original conditions of the carburizing chamber and achieving repeatability between lots, in less time, as well as, achieving volumes greater than 200 x 200 x 400 mm, modifying process flows and consumables for a carburizing area greater than 0.4 m 2 .

Claims

REIVINDICACIOMES Habiendo descrito suficientemente la invención, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes cláusulas reivindicatorías . CLAIMS Having sufficiently described the invention, the content of the following claims clauses is claimed as property.
1. Un proceso de carburizado a baja presión, caracterizado porque comprende los siguientes pasos: 1. A low pressure carburizing process, characterized in that it comprises the following steps:
i. Precalentar el acero con contenido de carbono, en una cámara de precalentamiento, utilizando Nitrógeno como medio convectivo a una temperatura mayor a 700CC, la carga de acero permanece en esta temperatura durante un rango de tiempo entre 30 minutos a 90 minutos; i. Preheat the carbon-containing steel, in a preheating chamber, using Nitrogen as a convective medium at a temperature greater than 700 C C, the steel load remains at this temperature for a period of time between 30 minutes to 90 minutes;
ii. Transportar la carga de acero a una cámara de calentamiento;  ii. Transport the steel load to a heating chamber;
iii. Calentar al vacio el acero con contenido de carbono hasta una temperatura de carburización mayor a 900 °C durante un rango de tiempo de 60 minutos a 150 minutos;  iii. Heat the carbon-containing steel in vacuo to a carburization temperature greater than 900 ° C for a time range of 60 minutes to 150 minutes;
iv. Inyectar por medio de unas boquillas, una mezcla de gases que contiene Acetileno, Etileno e Hidrógeno, para genere una atmosfera enriquecida de carbono, durante un rango de tiempo de 1 a 7 minutos, con un rango de flujo de 75 a 300 litros por minuto; v. Regular por medio de bombas la presión de la cámara de calentamiento entre 100 y 1000 pascales, para generar el movimiento de la mezcla de gases; vi. Generar un vacío por medio de las bombas, entre 50 y 100 pascales, permitiendo que la temperatura de la cámara de calentamiento se mantenga estable; vii. Transportar la carga de acero con contenido de carbono a una cámara de enfriamiento o a la cámara de precalentamiento;  iv. Inject by means of nozzles, a mixture of gases containing Acetylene, Ethylene and Hydrogen, to generate a carbon-enriched atmosphere, for a time range of 1 to 7 minutes, with a flow range of 75 to 300 liters per minute ; v. Adjust by means of pumps the pressure of the heating chamber between 100 and 1000 pascals, to generate the movement of the gas mixture; saw. Generate a vacuum through the pumps, between 50 and 100 pascals, allowing the temperature of the heating chamber to remain stable; vii. Transport the carbon-containing steel load to a cooling chamber or preheating chamber;
viii. Enfriar la carga de acero con contenido de carbono utilizando nitrógeno como medio convectivo; ix. Mantener una temperatura entre 600°C y 700°C durante un rango de tiempo de 20 a 90 minutos, para refinar el grano austenitico; viii Cool the carbon steel load using nitrogen as a convective medium; ix. Maintain a temperature between 600 ° C and 700 ° C for a time range of 20 to 90 minutes, to refine the austenitic grain;
x. Transportar la carga de acero con contenido de carbono a la cámara de calentamiento;  x. Transport the carbon steel load to the heating chamber;
xi. Calentar al vacio el acero con contenido de carbono con un rango de temperatura de 820 a 880°C;  xi. Heat the carbon-containing steel in a vacuum with a temperature range of 820 to 880 ° C;
xii. Transportar la carga de acero con contenido de carbono a la cámara de enfriamiento; y,  xii. Transport the carbon steel load to the cooling chamber; Y,
xiii. Sumergir la carga de acero con contenido de carbono en aceite por, al menos, 30 minutos. xiii. Dip the carbon steel load in oil for at least 30 minutes.
2. El proceso de eivindicación anterior, donde el contenido de carbono en el acero es de 0.15 a 0.30%. 2. The process of previous claim, wherein the carbon content in the steel is from 0.15 to 0.30%.
3. El proceso de la reivindicación 1, donde la transferencia de calor de los pasos iii y xi es por radiación. 3. The process of claim 1, wherein the heat transfer of steps iii and xi is by radiation.
4. El proceso de la reivindicación 1, donde la mezcla de gases del paso iv tiene la siguiente concentración: 4. The process of claim 1, wherein the gas mixture of step iv has the following concentration:
i. 60% Acetileno;  i. 60% Acetylene;
ii. 20% Etileno; e,  ii. 20% Ethylene; and,
iii. 20% Hidrógeno.  iii. 20% Hydrogen
5 ..El proceso de la reivindicación 4, donde el Acetileno y Etileno están en una relación 3:1 en un rango de temperatura entre 900 °C y 1000 °C. 5. The process of claim 4, wherein the Acetylene and Ethylene are in a 3: 1 ratio in a temperature range between 900 ° C and 1000 ° C.
6. El proceso de la reivindicación 4, donde Hidrógeno se encuentra en una relación 1:3 con respecto al Acetileno. 6. The process of claim 4, wherein Hydrogen is in a 1: 3 ratio to Acetylene.
7. El proceso de las reivindicaciones anteriores, donde los pasos iv a vi se repiten las veces que sean necesarias, para que el acero con contenido de carbono cumpla con el refinamiento de grano austenitico deseado. 7. The process of the preceding claims, wherein steps iv to vi are repeated as many times as necessary, so that the carbon-containing steel meets the desired austenitic grain refinement.
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