ES2214316T3 - Procedimiento para la nitro-carburacion de piezas metalicas. - Google Patents
Procedimiento para la nitro-carburacion de piezas metalicas.Info
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Abstract
Procedimiento para la nitro-carburación de piezas metálicas, en el que las piezas se tratan en una atmósfera de tratamiento que contiene nitrógeno, monóxido de carbono e hidrógeno, a una temperatura de tratamiento dentro de un recinto de tratamiento, empleándose dióxido de carbono como donante de carbono para la producción de la atmósfera de tratamiento, caracterizado porque una corriente gaseosa que contiene dióxido de carbono (1; 21) se introduce en un reactor (4; 24) dispuesto delante del recinto de tratamiento (6; 27) y allí se modifica por reacción con un donante de hidrógeno (2; 22) a una temperatura de reacción situada por encima de la temperatura de tratamiento para formar un gas de carburación (5; 25), que presenta una actividad de carbono más alta en comparación con la de la corriente gaseosa que contiene dióxido de carbono (1; 21) a la temperatura de tratamiento.
Description
Procedimiento para la
nitro-carburación de piezas metálicas.
El invento se refiere a un procedimiento para la
nitro-carburación de piezas metálicas, en el que
las piezas se tratan en una atmósfera de tratamiento, que contiene
nitrógeno, monóxido de carbono e hidrógeno, a una temperatura de
tratamiento, dentro de un recinto de tratamiento, empleándose
dióxido de carbono como donante de carbono para la producción de la
atmósfera de tratamiento.
Para la nitro-carburación de
piezas metálicas pasan a emplearse diferentes mezclas gaseosas. El
donante de nitrógeno es, en tal caso, fundamentalmente amoníaco
(NH_{3}), mientras que como donante de carbono pasan a emplearse
diferentes mezclas gaseosas, tales como por ejemplo mezclas de aire
e hidrocarburos (endogás y exogás) así como dióxido de carbono. En
el horno de nitruración, estos gases reaccionan con el hidrógeno
presente, realizándose que, dependiendo de cuáles sean las
condiciones térmicas y químicas, se ajusta una actividad
estacionaria de carbono, nitrógeno y oxígeno.
El nitrógeno atómico, que se forma al realizar el
desdoblamiento de amoníaco, al entrar en contacto con superficies
metálicas (en lo sucesivo designadas como (N)_{ad})
reacciona de manera especialmente fácil con el metal, mediando
formación de nitruros. En unión con el hierro se pueden formar
diferentes fases de nitruros. En el caso de los aceros, en atención
a obtener una alta dureza y una elevada resistencia al desgaste, se
prefieren, por ejemplo, fases de nitruros en forma de los
denominados nitruro \varepsilon (Fe_{2-3}) y
nitruro \gamma'(Fe_{4}N) o mezclas de estos nitruros. Las
reacciones, que se desarrollan durante la formación de nitruros de
metales que contienen Fe, se pueden describir esquemáticamente con
ayuda de las siguientes ecuaciones químicas:
(1)NH_{3} = (N)_{ad}
+ 1,5 \
H_{2}
(2a)(N)_{ad} +
4 Fe = Fe_{4}N
\hskip1.8cm(nitruro \gamma')
(2b)(N)_{ad} +
2-3 Fe = Fe_{2-3}N
\hskip1cm(nitruro \varepsilon)
El carbono disuelto en el nitruro repercute sobre
la morfología, la compacidad, la costura de los poros y la adhesión
de la capa de unión, y sobre su estabilidad frente a la corrosión y
al desgaste. Además de ello, se ha puesto de manifiesto que mediante
la actividad del carbono en la atmósfera de nitruración se influye
esencialmente sobre el tipo y la extensión de la formación de
nitruros. La actividad de carbono, a su vez depende de cuál sea el
donante de carbono que se emplee. Ésta disminuye en el orden de
sucesión de propano, endogás, exogás y dióxido de carbono. Puesto
que la composición de la fase gaseosa en el horno de nitruración
tiene por consiguiente una influencia esencial sobre el resultado
de la nitro-carburación, es favorable que ésta sea
ajustable dentro de unos intervalos lo más amplios que sean
posibles.
En los casos de las mezclas gaseosas conocidas,
los contenidos en dióxido de carbono están situados usualmente
entre 4 y 10% en volumen. El dióxido de carbono se introduce
dosificadamente de manera directa en el recinto del horno de
nitruración y reacciona allí de un modo parcial con hidrógeno de
acuerdo con la siguiente ecuación de reacción:
(3)CO_{2}+ H_{2}= CO +
H_{2}O
Usualmente, el horno de nitruración es recorrido
permanentemente con un gas de nueva aportación, de manera tal que
en la fase gaseosa no se ajusta ningún equilibrio químico. Se
establece con esto una actividad estacionaria de carbono
(a_{c,B}), que depende en lo esencial de los datos concretos en el
horno de nitruración, tales como por ejemplo la superficie de las
piezas que se han de tratar, la temperatura de nitruración, la
composición del gas y el caudal volumétrico de gas, y apenas se
puede regular desde el exterior. Por consiguiente, se ajusta
oscilantemente una actividad de carbono (a_{c,B}) que está
adaptada a los datos predominantes, y que se puede definir de
acuerdo con la reacción de Bouduard:
2 \ CO =
C+CO_{2}
(a_{c,B}) = K_{B}
\text{*}P^{2}{}_{co}/P_{co2}
K_{B} designa en este caso la constante del
equilibrio de Bouduard. Al alimentar dióxido de carbono
directamente en el horno de nitruración, se ajusta una actividad de
carbono de cómo máximo 1, lo cual corresponde a una actividad de
grafito puro. En estas condiciones, la formación del nitruro
\varepsilon (Fe_{2-3}N) se puede realizar sin
embargo solamente un alto índice característico de nitruración
(K_{N}) mayor que 1.
En atención a esto, hay que remitirse al
documento de patente alemana DE- C1 197 19 225, a partir del cual se
conoce un procedimiento para la regulación del índice
característico de una atmósfera de nitruración o
nitro-carburación en una instalación de horno, en
el caso de emplearse NH_{3} como fuente de nitrógeno. El conocido
procedimiento se distingue por el hecho de que el caudal de NH_{3}
gaseoso se mantiene constante, y solamente se regula el punto de
trabajo del aparato desdoblador previo, en el que se produce el gas
de desdoblamiento de NH_{3}. Un alto índice característico de
nitruración exige un alto contenido de amoníaco en el horno de
nitruración, lo cual a su vez tiene como consecuencia un alto
contenido restante de amoníaco en el gas de salida del horno, que
abandona el horno sin utilizar.
Este efecto se establece también en el caso del
procedimiento propuesto en el documento de solicitud de patente
alemana DE-A1 42 29 803, según el cual se ajusta el
índice característico de nitruración para el control de una
atmósfera de nitruración o nitro-carburación,
siendo determinado el índice característico de nitruración mediante
medición del contenido en O_{2} de la atmósfera mediando empleo de
una sonda de O_{2}.
En el documento DE-A1 195 14 932,
con el fin de producir una atmósfera de
carbo-nitruración se propone aportar directamente al
horno hidrocarburos y un componente oxidante, tal como aire o
CO_{2}, y amoníaco. Con el fin de conseguir un contenido regulado
de CO, lo más alto que sea posible en la atmósfera de carbo-
nitruración, se mide el contenido de CO, y al alcanzarse un límite
inferior previamente establecido se alimenta dentro del recinto del
horno una sustancia que forma CO, tal como metanol. En el caso de
este procedimiento, los componentes que forman CO, tales como
metanol o CO_{2}, se alimentan por consiguiente de manera directa
dentro del recinto de tratamiento. Al carburar o
carbo-nitrurar, esto es efectivo a causa de las
altas temperaturas que predominan en este caso, pero no lo es en el
caso de las temperaturas de nitruración usuales, relativamente
bajas, de como máximo 580ºC. A estas temperaturas más bajas, el
metanol no se desdobla estequiométricamente, sino que se forman
productos de desdoblamiento indeseados, tales como CH_{4} y otros
hidrocarburos superiores, CO_{2}, aldehídos, cetonas, etc., que en
parte son venenosos, y son corrosivos durante la condensación.
Además, el desdoblamiento del metanol es dependiente en gran manera
de los datos del recinto de calentamiento y de la superficie de la
carga, por lo que no se presenta la reproducibilidad de la deseada
composición gaseosa del horno. Esto tiene además como consecuencia
el hecho de que por medio de las reacciones incontroladas de
desdoblamiento se deposita hollín sobre el material de la carga y
sobre la superficie del recinto de calentamiento, o se forman
carburos indeseados.
El invento está basado por lo tanto en la misión
de modificar el procedimiento conocido para la
nitro-carburación de piezas metálicas mediando
empleo de dióxido de carbono como donante de carbono, de tal manera
que se puedan ajustar dentro de un amplio marco el tipo y la
extensión de la formación de nitruros.
El problema planteado por esta misión se
resuelve, conforme al invento, mediante el recurso de que una
corriente gaseosa que contiene dióxido de carbono se introduce en
un reactor dispuesto delante del recinto de tratamiento, y allí es
modificada por reacción con un donante de hidrógeno a una
temperatura de reacción situada por encima de la temperatura de
tratamiento para formar un gas de carburación, que presenta a la
temperatura de tratamiento una actividad de carbono más alta en
comparación con la corriente gaseosa que contiene dióxido de
carbono.
La corriente gaseosa que contiene dióxido de
carbono se aporta conforme al invento a un reactor, allí es
modificada en dirección a obtener una más alta actividad de carbono
y a continuación se introduce como gas de carburación en el recinto
de tratamiento.
El procedimiento se explica con ayuda de la
Figura 1 y la Figura 2.
El procedimiento para la
nitro-carburación de piezas metálicas, en el que
las piezas metálicas se tratan en una atmósfera de tratamiento que
contiene nitrógeno, monóxido de carbono e hidrógeno, a una
temperatura de tratamiento dentro de un recinto de tratamiento,
empleándose, para la producción de la atmósfera de tratamiento,
dióxido de carbono como donante de carbono, está caracterizado
porque una corriente gaseosa 1, 21, que contiene dióxido de
carbomo, se introduce en un reactor 4, 24 dispuesto delante del
recinto de tratamiento 6, 27, y allí es modificada por reacción con
un donante de hidrógeno 2, 22, a una temperatura de reacción situada
por encima de la temperatura de tratamiento para formar un gas de
carburación 5, 25, que presenta a la temperatura de tratamiento una
actividad de carbono más alta en comparación con la de la corriente
gaseosa 1, 21 que contiene dióxido de carbono.
En el caso del procedimiento se emplea como
donante de hidrógeno un fluido 2 que contiene hidrocarburos, en
particular se emplea gas natural, propano o metano 2 como donante
de hidrógeno. En el caso de otro procedimiento, se emplea amoníaco
como donante de hidrógeno.
En el caso del procedimiento, en el que como
donante de hidrógeno se emplea amoníaco 22, se emplea como reactor
en particular un aparato de desdoblamiento 24 para el amoníaco. En
particular, en el caso del procedimiento se substrae humedad desde
el gas de carburación 5, 25 antes de su introducción en el recinto
de tratamiento 6, 27.
En el caso del procedimiento, está prevista
preferiblemente una disposición de regulación 9, 30 para la
actividad de carbono en el recinto de tratamiento 6, 27, en cuyo
caso como magnitud de ajuste sirve el régimen de aportación de una
corriente parcial que contiene el donante de hidrógeno 2, 22. La
disposición de regulación 9, 30 para la actividad de carbono
comprende una medición de la actividad de oxígeno 8, 29 y/o de la
concentración de monóxido de carbono en el recinto de tratamiento 8,
27. Con la corriente gaseosa 1, 21 que contiene dióxido de carbono,
con el gas de carburación 5, 25 y/o con la corriente parcial para
el donante de hidrógeno 2, 22 se mezcla en particular un gas de
dilución 3, 23.
En el caso del procedimiento, el gas de
carburación 25, antes de su introducción en el recinto de
tratamiento 27, se enfría preferiblemente a una temperatura situada
en el intervalo de la temperatura de tratamiento.
En el caso del procedimiento, de modo preferido,
el gas de carburación 5, al efectuarse su introducción en el
recinto de tratamiento 6, presenta una temperatura situada en el
intervalo de la temperatura de reacción.
En el caso del procedimiento, la temperatura de
tratamiento está situada de modo preferido en el intervalo
comprendido entre 500ºC y 700ºC.
En el caso del procedimiento, la temperatura de
reacción está situada de modo preferido en el intervalo comprendido
entre 800 y 1.150ºC.
Claims (13)
1. Procedimiento para la
nitro-carburación de piezas metálicas, en el que las
piezas se tratan en una atmósfera de tratamiento que contiene
nitrógeno, monóxido de carbono e hidrógeno, a una temperatura de
tratamiento dentro de un recinto de tratamiento, empleándose dióxido
de carbono como donante de carbono para la producción de la
atmósfera de tratamiento, caracterizado porque una corriente
gaseosa que contiene dióxido de carbono (1; 21) se introduce en un
reactor (4; 24) dispuesto delante del recinto de tratamiento (6;
27) y allí se modifica por reacción con un donante de hidrógeno (2;
22) a una temperatura de reacción situada por encima de la
temperatura de tratamiento para formar un gas de carburación (5;
25), que presenta una actividad de carbono más alta en comparación
con la de la corriente gaseosa que contiene dióxido de carbono (1;
21) a la temperatura de tratamiento.
2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación
1, caracterizado porque como donante de hidrógeno se emplea
un fluido (2) que contiene hidrocarburos.
3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación
1 ó 2, caracterizado porque como donante de hidrógeno se
emplea un gas natural, propano o metano (2).
4. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación
1, caracterizado porque como donante de hidrógeno se emplea
amoníaco (22).
5. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación
4, caracterizado porque como reactor se emplea un aparato de
desdoblamiento (24) para el amoníaco.
6. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación
4 ó 5, caracterizado porque desde el gas de carburación (5;
25) se substrae la humedad antes de su introducción en el recinto de
tratamiento (6; 27).
7. Procedimiento de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque en el recinto de
tratamiento (6; 27) está prevista una disposición de regulación (9;
30) para la actividad de carbono, en la que como magnitud de ajuste
sirve el régimen o caudal de aportación de una corriente parcial que
contiene el donante de hidrógeno (2; 22).
8. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación
7, caracterizado porque la disposición de regulación (9; 30)
para la actividad de carbono comprende una medición de la actividad
de oxígeno (8; 29) y/o de la concentración de monóxido de carbono
en el recinto de tratamiento (6; 27).
9. Procedimiento de acuerdo con una de las
reivindicaciones 7 u 8, caracterizado porque con la corriente
gaseosa que contiene dióxido de carbono (1; 21), con el gas de
carburación (5; 25) y/o con la corriente parcial para el donante de
hidrógeno (2; 22) se mezcla un gas de dilución (3; 23).
10. Procedimiento de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque el gas de
carburación (25), antes de su introducción dentro del recinto de
tratamiento (27), se enfría a una temperatura situada en el
intervalo de la temperatura de tratamiento.
11. Procedimiento de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque el gas de
carburación (5), antes de su introducción en el recinto de
tratamiento (6), presenta una temperatura situada en el intervalo de
la temperatura de reacción.
12. Procedimiento de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque la temperatura
de tratamiento está situada en el intervalo comprendido entre 500ºC
y 700ºC.
13. Procedimiento de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque la temperatura
de reacción está situada en el intervalo comprendido entre 800 y
1.150ºC.
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