BRPI0608493A2 - método e dispositivo para carbonitrificação em baixa pressão - Google Patents
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Abstract
MéTODO E DISPOSITIVO PARA CARBONITRIFICAçãO EM BAIXA PRESSãO. A presente invenção refere-se a um método para a carbonitrificação de uma peça de aço colocada em un invólucro (14) mantido em uma baixa pressão interna onde a peça de aço é mantida dentro de uma faixa de temperatura. O método inventivo consiste em alternar os primeiro e segundo estágios, em injetar um gás de cimentação no invólucro somente durante os primeiros estágios e em injetar um gás de nitrificação no invólucro durante pelo menos uma parte de pelo menos dois segundos estágios.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODO E DISPOSITIVO PARA CARBONITRIFICAÇÃO EM BAIXA PRESSÃO".
Campo da Invenção
A presente invenção refere-se a métodos para o processamento de peças de aço, e mais especificamente a métodos de carbonitrificação, isto é, métodos para introduzir carbono e nitrogênio na superfície das peças de aço para melhorar sua dureza e seu comportamento contra fadiga. Discussão da Técnica Anterior
Existem vários tipos de métodos para a carbonitrificação de peças de aço possibilitando a introdução de carbono e nitrogênio na superfície das peças, até profundidades que podem alcançar várias centenas de mi-crômetros.
Uma primeira categoria dos métodos de carbonitrificação corresponde com os assim chamados métodos de carbonitrificação em alta pressão desde que o invólucro que contém as peças a serem processadas è mantido em uma pressão geralmente próxima da pressão atmosférica por todo o tempo de processamento. Um tal método compreende, por exemplo, manter as peças em um nível de temperatura, por exemplo, aproximadamente 880°C, enquanto alimentando o invólucro com uma mistura gasosa formada de metanol e amônia. A etapa de carbonitrificação é seguida por uma etapa de extinção, por exemplo, uma extinção com óleo, e possivelmente por um trabalho de endurecimento das peças processadas.
Uma segunda categoria dos métodos de carbonitrificação corresponde aos assim chamados métodos de carbonitrificação de baixa pressão ou pressão reduzida, desde que o invólucro que contém as peças a serem processadas é mantido em uma pressão geralmente menor do que u-mas poucas centenas de pascais (uns poucos milibars).
A publicação US 2004/0187966 descreve dois exemplos de métodos de carbonitrificação de baixa pressão.
A figura 1 corresponde com a figura 5(a) do pedido US 2004/0187966 e mostra uma curva 10 da variação da temperatura dentro de um invólucro de forno no qual um método de carbonitrificação de acordocom uma primeira modalidade que compreende sete etapas sucessivas I a VII é executado. As peças a serem processadas são aquecidas (etapa I) até um nível de temperatura 12 e mantidas no nível de temperatura 12 (etapa II) para obter uma compensação das temperaturas das peças. Uma etapa de carburação (etapa III) é executada no nível de temperatura 12 pela injeção no invólucro de uma mistura gasosa de etileno e hidrogênio e é seguida por uma etapa de difusão (etapa IV) executada no nível de temperatura 12. A temperatura no invólucro é então abaixada (etapa V) para um nível de temperatura 14 mais baixo do que o nível de temperatura 12. Uma etapa de nitrificação (etapa VI) é executada no nível de temperatura 14 injetando amônia no invólucro. As peças são finalmente extintas (etapa VII), por exemplo, pela extinção com óleo.
A figura 2 corresponde com a figura 5(b) do pedido US 2004/0187966 e mostra uma curva 16 da variação da temperatura dentro de um forno no qual um método de carbonitrificação de acordo com um segundo exemplo da modalidade que compreende quatro etapas sucessivas I' a IV é executado. As etapas I' e II' respectivamente correspondem com as etapas I e II da primeira modalidade. A etapa III' corresponde com uma etapa de carbonitrificação, executada em um nível de temperatura 18, durante o qual uma mistura gasosa de etileno, hidrogênio e amônia é injetada no invólucro do forno. A etapa IV corresponde com uma etapa de extinção com ó-leo.
Uma desvantagem do primeiro exemplo do método de carbonitrificação descrito na publicação US 2004/0187966 é que a etapa de nitrificação é executada depois da etapa de carburação, em um nível de temperatura menor do que o nível de temperatura da carburação. O tempo de processamento total pode assim ser excessivamente longo, o que torna difícil o uso de um tal método em um contexto industrial.
Uma desvantagem do segundo método de carbonitrificação descrito na publicação US 2004/0187966 é devido ao fato que os gases de carburação e nitrificação são injetados simultaneamente no invólucro do forno. Então é difícil controlar precisamente o ambiente gasoso no invólucro e,dessa maneira, controlar de maneira precisa e reprodutível os perfis de concentração de nitrogênio e carbono obtidos nas peças processadas.
Sumário da Invenção
A presente invenção prove um método de carbonitrificação em baixa pressão de peças de aço que possibilita obter de maneira precisa e reprodutível os perfis desejados de concentração de carbono e nitrogênio nas peças processadas.
Um outro objetivo da presente invenção é prover um método de carbonitrificação tendo uma execução compatível com o processamento das peças de aço em um contexto industrial.
A presente invenção também planeja um forno de carbonitrificação de peça de aço de baixa pressão que possibilita obter de maneira precisa e reprodutível os perfis desejados de carbono e hidrogênio nas peças processadas.
Um outro objetivo da presente invenção é prover um forno de carbonitrificação de baixa pressão de projeto simples.
Para essa finalidade, a presente invenção prove um método para a carbonitrificação de uma peça de aço disposta em um invólucro mantido em uma pressão interna reduzida, a peça sendo mantida em um nível de temperatura. O método compreende uma alternação das primeira e segunda etapas, um gás de carburação sendo injetado no invólucro durante as primeiras etapas somente e um gás de nitrificação sendo injetado no invólucro somente durante pelo menos parte de pelo menos duas segundas etapas.
De acordo com uma modalidade, o gás de carburação é propano ou acetileno e o gás de nitrificação é amônia.
De acordo com uma modalidade, um gás neutro é injetado no invólucro simultaneamente com o gás de nitrificação.
De acordo com uma modalidade, o gás de nitrificação é injetado no invólucro durante pelo menos uma segunda etapa por um tempo mais curto do que a duração da dita segunda etapa, o resto da segunda etapa sendo executado na presença de um gás neutro.
De acordo com uma modalidade, a primeira e a segunda etapassão executadas em uma pressão constante menor do que 1.500 pascais (0,015 bars).
De acordo com uma modalidade, o nível de temperatura varia entre 800°C e 1050°C.
De acordo com uma modalidade, o nível de temperatura é mais alto do que 900°C.
A presente invenção também prove um forno de carbonitrifica-ção planejado para receber uma peça de aço, o forno sendo associado com a introdução do gás e dispositivo de extração de gás controlado para manter uma pressão interna reduzida e que compreende dispositivo de aquecimento para manter a peça em um nível de temperatura. O dispositivo de introdução compreende dispositivo para introduzir, durante uma alternação das primeira e segunda etapas executadas no dito nível de temperatura, um gás de car-buração durante as primeiras etapas somente e um gás de nitrificação somente durante pelo menos parte de pelo menos uma segunda etapa.
De acordo com uma modalidade, o dispositivo de introdução compreende dispositivo para introduzir um gás neutro. Breve Descrição dos Desenhos
Os objetivos precedentes e outros, aspectos e vantagens da presente invenção serão discutidos em detalhes na descrição não limitadora seguinte de modalidades específicas em conjunto com os desenhos acompanhantes, entre os quais:
As figuras 1 e 2, previamente descritas, ilustram exemplos de método de carbonitrificação de baixa pressão convencionais;
A figura 3 mostra esquematicamente uma modalidade de um forno de carbonitrificação de baixa pressão de acordo com a presente invenção;
A figura 4 ilustra um exemplo de um método de carbonitrificação de baixa pressão de acordo com a presente invenção;
A figura 5 mostra um exemplo de um perfil de concentração de nitrogênio obtido em peças de aço processadas de acordo com um exemplo do método de carbonitrificação de baixa pressão da invenção;As figuras 6, 7 e 8 ilustram respectivamente um outro exemplo de um método de carbonitrificação de acordo com a presente invenção e os perfis de concentração de carbono e nitrogênio obtidos para um tal método de carbonitrificação e
As figuras 9, 10 e 11 ilustram respectivamente um outro exemplo de um método de carbonitrificação de acordo com a presente invenção e os perfis de concentração de carbono e nitrogênio obtidos para um tal método de carbonitrificação. Descrição Detalhada
A presente invenção compreende a execução em um invólucro contendo peças de aço a serem processadas mantidas em uma temperatura substancialmente constante, de uma alternação de etapas de enriquecimento de carbono durante as quais um gás de carburação é injetado no invólucro sob uma pressão reduzida e de etapas de difusão de carbono durante as quais a injeção do gás de carburação é interrompida. A presente invenção compreende prover a injeção, para dentro do invólucro, de um gás de nitrifi-cação para toda ou parte das etapas de difusão do carbono. As etapas de enriquecimento do carbono então correspondem com as etapas de difusão do nitrogênio. O gás de nitrificação é injetado durante pelo menos parte depelo menos duas etapas de difusão do carbono, isto é, durante pelo menos parte de uma etapa de difusão do carbono interposta entre duas etapas de enriquecimento do carbono. Isso vantajosamente possibilita controlar de maneira precisa e reprodutível os perfis de concentração de carbono e nitrogênio obtidos nas peças processadas, desde que a injeção do gás de nitrificação é executada separadamente da injeção do gás de carburação. Além disso, desde que a injeção do gás de nitrificação é executada durante as etapas de difusão do carbono, a duração total do processamento de carbonitrificação é substancialmente similar a um processamento de carburação convencional.
A figura 3 mostra esquematicamente uma modalidade de um forno de carbonitrificação de baixa pressão 10 de acordo com a presente invenção. O forno 10 compreende uma parede fechada 12 delimitando uminvólucro interno 14 no qual é disposta uma carga a ser processada 16, geralmente um grande número de peças dispostas em um suporte apropriado. Um vácuo na ordem de umas poucas centenas de pascais (uns poucos mili-bars) pode ser mantido no invólucro 14 devido a um cano de extração 18 conectado em um extrator 20. Um injetor 22 possibilita a introdução de gases em modo distribuído no invólucro 14. As entradas de gás 22, 24, 26, 28 respectivamente controladas pelas válvulas 30, 32, 34, 33 foram mostradas como um exemplo. A temperatura no invólucro 14 pode ser ajustada por dispositivo de aquecimento 38.
A figura 4 mostra uma curva 40 da variação de temperatura no invólucro 14 do forno de carbonitrificação 10 da figura 3 durante um ciclo de carbonitrificação de acordo com um exemplo de um método de carbonitrificação da invenção. O método compreende uma etapa inicial H correspondendo com uma elevação 42 na temperatura no invólucro 14 que contém a carga 16 até um nível de temperatura 44 que, no presente exemplo, é igual a 930°C e que pode corresponder geralmente com temperaturas que variam entre aproximadamente 800°C e aproximadamente 1050°C. A etapa H é seguida por uma etapa PH de compensação de temperatura das peças que formam a carga 16 no nível de temperatura 44. As etapas H e PH são executadas na presença de um gás neutro, no qual um gás redutor pode ser adicionado. O gás neutro, por exemplo, é nitrogênio (N2). O gás redutor, por exemplo, hidrogênio (H2), pode ser adicionado de acordo com uma proporção variando dentro de uma faixa de 1 % a 5% em volume do gás neutro. Por razões de segurança, pode ser desejável limitar a proporção de hidrogênio aproporções menores por aproximadamente 5% para evitar qualquer risco de explosão no caso onde o hidrogênio incidentalmente entrasse em contato com o ar circundante.
A etapa PH é seguida por uma alternação das etapas de enriquecimento do carbono C1 a C4, durante as quais um gás de carburação é injetado no invólucro 14, e de etapas de difusão do carbono D1 a D4, durante as quais o gás de carburação não é mais injetado no invólucro 14. Como um exemplo, quatro etapas de enriquecimento C1 a C4 e quatro etapas dedifusão D1 a D4 são mostradas na figura 4. As etapas de enriquecimento e difusão são executadas mantendo a temperatura no invólucro 14 no nível de temperatura 44. Durante as etapas de difusão D1 a D4, uma injeção de um gás de nitrificação no invólucro 14 é executada. Uma etapa de extinção Q da carga 10, por exemplo, uma extinção com gás, fecha o ciclo de carbonitrifi-cação. Durante as etapas H, PH, etapas de enriquecimento C1 a C4 e etapas de difusão D1 a D4, um vácuo é mantido no invólucro 14 em pressões de umas poucas centenas de pascais (uns poucos milibars). De acordo com uma variação da invenção, durante cada etapa de carburação, a injeção do gás de carburação é executada por pulsos.
O gás de carburação, por exemplo, é propano (C3H8) ou acetile-no (C2H2). Ele pode ser também qualquer outro hidrocarboneto (CxHy) provável de dissociar nas temperaturas do invólucro para carburar a superfície das peças a serem processadas. O gás de nitrificação, por exemplo, é amônia (NH3). Com referência ao diagrama da figura 3, um hidrocarboneto (C-xHy) pode ser feito para chegar na entrada 22 da válvula 30, hidrogênio pode ser feito para chegar na entrada 24 da válvula 32, hidrogênio pode ser feito para chegar na entrada 36 da válvula 34 e amônia pode ser feita para chegar na entrada 28 da válvula 36.
A injeção do gás de nitrificação pode ser executada durante algumas das etapas de difusão somente. Além disso, durante uma etapa de difusão durante a qual o gás de nitrificação é injetado, a injeção do gás de nitrificação pode ser executada para parte somente da etapa de difusão. Um gás neutro, por exemplo, nitrogênio (N2), pode ser injetado para todas asetapas de enriquecimento e difusão, somente durante as etapas de difusão ou somente durante parte das etapas de difusão. A injeção do gás neutro é regulada para manter a pressão no invólucro 14 constante. Quando o gás de nitrificação e o gás neutro são simultaneamente injetados, as proporções relativas do gás de nitrificação e do gás neutro são determinadas de acordo com o perfil desejado de concentração do nitrogênio nas peças processadas. Além do que, as proporções relativas do gás de nitrificação e do gás neutro podem ser diferentes para cada etapa de difusão durante a qual ogás de nitrificação e o gás neutro são simultaneamente injetados no invólucro 14.
De acordo com uma modalidade alternativa da presente invenção, todos os gases injetados no invólucro 14 do forno 10 ou alguns deles podem ser misturados antes da injeção no invólucro 14. Uma tal variação, por exemplo, possibilita, durante as etapas de elevação de temperatura H e de compensação de temperatura PH, injetar diretamente no invólucro 14 uma mistura de nitrogênio e hidrogênio do tipo que contém uma proporção de hidrogênio menor do que 5% em volume, uma tal proporção de hidrogênio excluindo qualquer risco de explosão.
De acordo com a presente modalidade da presente invenção, o método de carbonitrificação é implementado sem variação de pressão e as injeções do gás de carburação e do gás de nitrificação (e/ou possivelmente do gás neutro), durante as etapas de enriquecimento e difusão, são sucessivas e a substituição entre o gás de carburação e o gás de nitrificação (e/ou possivelmente o gás neutro) é provável de ocorrer muito rápido.
A figura 5 mostra um exemplo de um perfil de concentração de massa do elemento de nitrogênio tendo difundido em uma peça processada de acordo com a profundidade, medida da superfície da peça, quando o gás de carburação é propano e o gás de nitrificação é amônia.
As figuras 6, 7 e 8 ilustram respectivamente um exemplo de um método de carbonitrificação de acordo com a presente invenção e os perfis de concentração de carbono e nitrogênio obtidos para um tal método de carbonitrificação no qual o gás de carburação é acetileno e o gás de nitrificação é amônia. No presente exemplo, a carbonitrificação é executada em um nível de temperatura de 880°C. Como um exemplo, as etapas de aquecimento H e de compensação de temperatura PH duram por 20 minutos e são seguidas por uma alternação de três etapas de enriquecimento C1, C2, C3 (respectivamente de 123 s, 51 se 49 s) e de três etapas de difusão D1, D2, D3 (respectivamente de 194 s, 286 s e 2.957 s).
As figuras 9, 10 e 11 ilustram respectivamente um outro exemplo de um método de carbonitrificação de acordo com a presente invenção eos perfis de concentração de carbono e nitrogênio obtidos para um tal método de carbonitrificação, no qual o gás de carburação é acetileno e o gás de nitrificação é amônia. No presente exemplo, a carbonitrificação é executada em um nível de temperatura de 930°C. As etapas de aquecimento H e de compensação de temperatura PH respectivamente duram por 29 minutos e 31 minutos e são seguidas por uma alternação de cinco etapas de enriquecimento C1 a C5 (respectivamente de 329 s, 91 s, 80 s, 75 s e 71 s) e de cinco etapas de difusão D1 a D5 (respectivamente de 108 s, 144 s, 176 s, 208 s e 2.858 s).
O requerente mostrou que a injeção da amônia durante as etapas de difusão possibilita o enriquecimento da camada carburada com nitrogênio até uma profundidade de várias centenas de micrômetros. Para os três exemplos mostrados, o conteúdo de nitrogênio obtido é na ordem de 0,2% em peso em uma profundidade de uns poucos micrômetros. O conteúdo denitrogênio então diminui vagarosamente de 0,2% para várias centenas de micrômetros. Como um exemplo, para a modalidade previamente descrita em relação com as figuras 6, 7 e 8, a concentração de nitrogênio fica na ordem de 0,2% em 30 u.m, de 0,14% em 60 jim, de 0,12% em 130 u.m e de 0,05% em 200 \im.
De acordo com uma variação da presente invenção, o gás de nitrificação pode ser injetado durante a etapa de elevação de temperatura H, tão logo a temperatura no invólucro 14 exceda uma dada temperatura e/ou durante a etapa de compensação da temperatura PH. Como um exemplo, quando o gás de nitrificação é amônia, a injeção pode ser executada tão logo a temperatura no invólucro 14 exceda aproximadamente 800°C.
O fato de injetar o gás de nitrificação durante as etapas de difusão do carbono somente possibilita melhor enriquecimento do nitrogênio e carbono das peças processadas e possibilita obter, de maneira precisa e reprodutível, os perfis desejados de concentração de carbono e nitrogênio.
Na realidade, se o gás de nitrificação é injetado simultaneamente com o gás de carburação, ocorre uma diluição do gás de carburação e do gás de nitrificação. Esse fator não estimula a reação do carbono que se origina do gásde carburação ou a reação do nitrogênio que se origina do gás de nitrifica-ção com as peças a serem processadas, o que reduz o enriquecimento das peças com nitrogênio e com carbono. Além do que, se o gás de carburação e o gás de nitrificação são misturados, é difícil controlar precisamente o ambiente gasoso no invólucro 14, o que torna difícil a obtenção precisa e repro-dutível dos perfis de concentração de nitrogênio e carbono das peças. Além do que, desde que a difusão do nitrogênio em peças de aço é, para algumas condições de processamento, mais rápida do que a difusão do carbono, a injeção do gás de nitrificação e do gás de carburação em etapas distintas possibilita modificar mais facilmente a duração da injeção de cada gás enquanto garantindo a manutenção de uma pressão constante no invólucro 14.
Naturalmente, a presente invenção é provável de ter várias alterações e modificações que ocorrerão para aqueles versados na técnica. Como um exemplo, a etapa de extinção com gás previamente descrita pode ser substituída por uma etapa de extinção com óleo.
Claims (10)
1. Método para a carbonitrificação de uma peça de aço disposta em um invólucro (14) mantido em uma pressão interna reduzida, a peça sendo mantida em um nível de temperatura, caracterizado em que ele compreende uma alteração das primeira e segunda etapas, um gás de carbura-ção sendo injetado no invólucro durante as primeiras etapas somente e um gás de nitrificação sendo injetado no invólucro somente durante pelo menos parte de pelo menos duas segundas etapas.
2. Método de acordo com a reivindicação 1, no qual o gás de carburação é propano ou acetileno.
3. Método de acordo com a reivindicação 1, no qual o gás de nitrificação é amônia.
4. Método de acordo com a reivindicação 1, no qual um gás neutro é injetado no invólucro (14) simultaneamente com o gás de nitrificação.
5. Método de acordo com a reivindicação 1, no qual o gás de nitrificação é injetado no invólucro (14) durante pelo menos uma segunda etapa por um tempo mais curto do que a duração da dita segunda etapa, o resto da segunda etapa sendo executado na presença de um gás neutro.
6. Método de acordo com a reivindicação 1, no qual as primeira e segunda etapas são executadas em uma pressão constante menor do que 1.500 pascais (0,015 bars).
7. Método de acordo com a reivindicação 1, no qual o nível de temperatura varia entre 800°C e 1050°C.
8. Método de acordo com a reivindicação 1, no qual o nível de temperatura é maior do que 900°C.
9. Forno de carbonitrificação (10) planejado para receber uma peça de aço, o forno sendo associado com dispositivo de introdução de gás (22, 24, 26, 28) e de extração de gás (18,20) controlados para manter uma pressão interna reduzida e compreendendo dispositivo de aquecimento (38) para manter a peça em um nível de temperatura, caracterizado em que o dispositivo de introdução compreende dispositivo (22,28) para introduzir, du-rante uma alternação das primeira e segunda etapas executadas no dito nível de temperatura, um gás de carburação durante as primeiras etapas somente e um gás de nitrificação somente durante pelo menos parte de pelo menos duas segundas etapas.
10. Forno de carbonitrificação (10) de acordo com a reivindicação 9, no qual o dispositivo de introdução (22, 24, 26, 28) compreende dispositivo (24) para introduzir um gás neutro.
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