ES2247665T3 - Procedimiento para la fromacion, por tratamiento termoquimico sin plasma, de una capa superficial que presenta una dureza elevada. - Google Patents
Procedimiento para la fromacion, por tratamiento termoquimico sin plasma, de una capa superficial que presenta una dureza elevada.Info
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Abstract
LA INVENCION SE REFIERE A UN PROCEDIMIENTO CONSISTENTE EN CALENTAR LAS PIEZAS QUE VAN A TRATARSE A UNA TEMPERATURA SUPERIOR A 500 (GRADOS) C EN EL INTERIOR DE UN RECINTO CUYA ATMOSFERA DEBE MANTENERSE A UNA PRESION INFERIOR O IGUAL A 0,1 MBAR. DESPUES, SE INYECTA SOBRE LAS PIEZAS UN GAS DE TRATAMIENTO Y SE ESTABILIZA LA PRESION EN UN VALOR INFERIOR A LA PRESION ATMOSFERICA DURANTE UN TIEMPO QUE PUEDE IR DESDE ALGUNAS DECENAS DE MINUTOS A VEINTICUATRO HORAS O MAS DEPENDIENDO DE LA PROFUNDIDAD DE TRATAMIENTO DESEADA. LA INVENCION SE APLICA AL TRATAMIENTO DE PIEZAS DE TITANIO O CIRCONIO.
Description
Procedimiento para la formación, por tratamiento
termoquímico sin plasma, de una capa superficial que presenta una
dureza elevada.
La presente invención se relaciona con un
procedimiento para la formación, por un tratamiento termoquímico
sin plasma, de una capa superficial que presenta una dureza elevada
y que posee propiedades tribológicas sobre piezas en aleación
sensibles o reactivas frente al nitrógeno, al carbono y/o al
oxígeno.
Se aplica particularmente pero no exclusivamente
a un tratamiento bajo atmósfera controlada a alta temperatura, de
una aleación con base en titanio o zirconio en una atmósfera que
puede incluir amoníaco, un hidrocarburo y/o un gas oxidante, hasta
incluso una composición gaseosa que incluye uno o varios de estos
compuestos.
De una manera general se sabe que existen
actualmente diversas técnicas de tratamientos termoquímicos de este
género.
El más antiguo, a saber, el baño de sal tiende a
desaparecer por el hecho de que es particularmente contaminante y
peligroso en razón de los desechos de gases tóxicos y de las aguas
de enjuague que engendra.
Más recientes, los tratamientos por bombardeo
iónico hacen intervenir una instalación de tratamiento térmico bajo
vacío relativo, especialmente equipada de manera que produzca sobre
las piezas en tratamiento una descarga luminiscente en una atmósfera
de gas de tratamiento. Esta técnica presenta el inconveniente de
ser relativamente costosa y de no convenir para las piezas de forma
compleja y, en particular, de forma tubular y esto, en razón de que
se forma un cátodo hueco.
Por otro lado, los tratamientos termoquímicos
efectuados bajo atmósfera gaseosa a presión atmosférica tales que
las nitruraciones gaseosas, consisten en llevar las piezas a una
temperatura de 500ºC a 600ºC y barrerlas con un gas de nitruración
tal como el amoníaco. Es lo mismo para lo que concierne a los
tratamientos efectuados bajo altas presiones, "Hochdrucknitrieren
von Titanwerkstoffen" HTM Harterei - Technische Mitteilungen, 46
(1991) Nov./Dez, Nº6 y en la patente JP 0709541. Este tratamiento
presenta el inconveniente de ser largo, de consumir grandes
cantidades de gas de tratamiento y así de ser relativamente
contaminante.
Así mismo, se ha propuesto, en la patente
EP-A-449793 un procedimiento que
consiste en inyectar el nitrógeno puro sobre las piezas que se van a
tratar llevadas a una temperatura de 650 a 1000ºC a una presión
inferior a la presión atmosférica.
Para intentar resolver los problemas
precedentemente citados, la solicitante ya ha propuesto (patente
francesa nº 94 05062) un procedimiento de nitruración a baja presión
realizado a una temperatura del mismo orden que anteriormente y
haciendo intervenir un gas de tratamiento que comprende el
amoníaco, así como un catalizador. Este catalizador tiene por objeto
favorecer la disociación del amoníaco al contacto con las piezas en
tratamiento y de oponerse a la recombinación del nitrógeno activo
proveniente de esta disociación, en nitrógeno molecular.
Este procedimiento que permite obtener excelentes
resultados para el tratamiento del acero y de las aleaciones de
acero presenta sin embargo el inconveniente de utilizar una
composición de gas de tratamiento relativamente costosa y una
instalación sofisticada para asegurar un barrido homogéneo de las
piezas sometidas al gas de tratamiento. Otro inconveniente de este
procedimiento reside en el hecho de que en estas condiciones de
temperatura y de presión apropiadas al tratamiento del acero, es
inoperante sobre las aleaciones de titanio o de zirconio. Además, el
catalizador utilizado es incompatible con el tratamiento de las
aleaciones de titanio y de zirconio pues formaría una barrera de
difusión con el nitrógeno (capa de óxido de Ti o de Zr).
Ahora bien, justamente, la invención tiene por
objeto un procedimiento de tratamiento de este tipo de
aleaciones.
A este efecto, propone un procedimiento de
tratamiento termoquímico sin plasma de una capa superficial que
presenta una dureza elevada y que posee propiedades tribológicas,
sobre piezas en aleación de metales sensible o reactivos frente a
nitrógeno, tales como el titanio o el zirconio, el cual comprende
las fases sucesivas siguientes:
- un desengrasado previo de las piezas por
tratar,
- enhornamiento de las piezas en el interior del
recinto,
- una primera puesta bajo vacío del recinto de
manera que se eliminen los elementos contaminantes,
- un aumento de temperatura del horno por
convección al nitrógeno, y/o por radiación hasta la obtención de
una temperatura de 650 a 900ºC, siendo la presión mantenida a una
presión inferior o igual a 0,1 mbar,
- mantener esta temperatura durante un periodo
determinado de manera que se obtenga una temperatura homogénea de
las piezas,
- una segunda puesta bajo vacío eventual del
recinto para asegurar la eliminación del nitrógeno inyectado en el
momento del aumento de temperatura del horno,
- la inyección de un gas de tratamiento que
comprende amoníaco, sobre las piezas en tratamiento llevadas a una
temperatura superior a 500ºC y el mantenimiento de la presión en el
interior del horno en un valor comprendido entre 100 y 600 mbars, de
preferencia 300 mbars, durante un periodo comprendido entre algunos
minutos y 24 horas o más, en función de la profundidad del
tratamiento deseado, de manera que se obtenga:
- \bullet
- en extrema superficie, una capa de combinación de tipo Ti_{x} N_{y} que presenta un espesor de algunos micrones,
- \bullet
- una sub-capa de difusión de dureza más elevada que la del sustrato,
- una tercera puesta bajo vacío del recinto para
eliminar el gas de tratamiento y para enfriar el horno,
- el deshornado de las piezas.
En el caso de un tratamiento de nitruración, este
procedimiento no utiliza en calidad de gas de tratamiento más que
el amoníaco, es decir, un gas relativamente corriente y barato. La
instalación del tratamiento se encuentra igualmente simplificada
considerablemente. El sustrato tratado en aleación de titanio o
zirconio juega el papel de catalizador de disociación de las
moléculas de amoníaco que se añaden de nuevo al efecto de la
disociación térmica.
Por otro lado, a las temperaturas elevadas a las
cuales se efectúa el tratamiento, el problema de disociación y de
recombinación anteriormente citado no se presenta más y se hace
posible mantener una buena homogeneidad del tratamiento sin tener
que utilizar disposiciones particulares i gas catalizador. Sólo una
remoción de la atmósfera interior del horno, por ejemplo con la
ayuda de turbinas normales, podrá ser eventual, pero no
necesariamente efectuada para acrecentar la homogeneidad.
Este tratamiento permite a la vez mejorar las
características mecánicas de las piezas tratadas, particularmente
en materia de resistencia al frotamiento y de dureza superficial y
de darle un aspecto amarillo pálido más o menos brillante,
particularmente estético. Este aspecto es función del estado de la
superficie inicial y de la estequiometría de la capa
Ti_{x}N_{y}.
Además, este tratamiento es un tratamiento de
difusión: no produce por tanto modificación importante de la
rugosidad inicial de las piezas y descarta todo riesgo de
desprendimiento de la capa de nitruro de titanio. Gracias a estas
particularidades, el procedimiento según la invención se aplica en
el tratamiento de piezas utilizadas en numerosos campos de
aplicación, a saber, principalmente
- el campo biomédico: instrumentos y prótesis
- los deportes y ocio
- el campo automovilístico y aerodinámico
- el armamento
- el campo de las artes decorativas
- la química y la petroquímica
Otra ventaja de este procedimiento consiste en
que por el hecho de que se opera a baja presión (siempre inferior a
la presión atmosférica) no consume más que un poco de gas de
tratamiento y no es por tanto contaminante con respecto a los
procedimientos de lata presión que exigen el empleo de hornos
específicos y de obligaciones de seguridad debidas a la alta
presión.
Ventajosamente, en el caso donde el tratamiento
es un tratamiento de nitruración, el procedimiento según la
invención podrá además comprender una fase de
post-tratamiento destinada a deshidrogenar la
aleación tratada.
Se constata en efecto que el aporte de nitrógeno
atómico en la superficie de una pieza en medio de la disociación
térmica y catalítica de moléculas de amoníaco puede conducir, a las
temperaturas de nitruración utilizadas, a un enriquecimiento en
hidrógeno y a la formación de hidruros, por ejemplo, hidruros de
titanio de tipo TiH hasta TiH_{2}.
En consecuencia, se considera acertado, en
ciertos casos, proceder a una fase de tratamiento suplementario,
después del tratamiento de nitruración bajo presión, de la aleación
(por ejemplo, de la aleación de titanio) a la vista de extraer este
hidrógeno que podría ser desfavorable frente a la fatiga de las
piezas, con principalmente una resistencia menguada a la propagación
de fisuras.
Este tratamiento de deshidrogenación podrá ser
realizado llevando las piezas a una temperatura del orden de 700 a
900ºC durante un periodo que puede ir de 1 a 5 horas, en un vacío de
10^{-3} a 10^{-4} mbar.
A título de ejemplo, una aleación de titanio del
tipo TH6V, deshidrogenado a 790ºC durante 2 horas, bajo vacío de 5
x 10^{-4} mbar verá caer su contenido de hidrógeno de 256 a 11
ppm.
Un ejemplo de puesta en práctica del
procedimiento según la invención será descrito a continuación a
título de ejemplo no limitativo.
En este ejemplo la instalación de tratamiento
utilizada hacía intervenir un horno de tratamiento térmico bajo
vacío de estructura clásica equipado con una turbina de circulación
de gas de tratamiento. Este horno comprende un recinto hermético
que encierra una mufla construida en un material (metal o grafito)
no pudiendo contener elementos contaminantes (en particular oxígeno
o vapor de agua) susceptibles de perjudicar la calidad del
tratamiento. En el interior de la mufla está instaladas
resistencias eléctricas de calentamiento (esencialmente por
radiación y por convección) capaces de llevar la temperatura de las
piezas a más de 1000ºC.
Este recinto está conectado de una parte a un
equipo de bombeo apto para realizar un vacío primario P<0.1 mbar
y, de otra parte, a dos fuentes de gas (una fuente de nitrógeno y
una fuente de amoníaco) por medio de un circuito de
distribución.
Después de un desengrasado cuidadoso, las piezas
por tratar (aquí prótesis en aleación de titanio TA6V) han sido
dispuestas en la mufla, sobre un montaje de preferencia en aleación
de titanio que haya sufrido previamente el mismo tratamiento. Sobre
este montaje las piezas han sido dispuestas de manera que estén
distantes las unas de las otras algunos milímetros, de manera que la
difusión sea lo más homogénea posible a su superficie.
Una vez preparada la carga y cerrado el recinto
herméticamente, se favoreció el establecimiento de un vacío
(P<0.1 mbar) después mantenido una decena de minutos de manera
que se eliminen la mayoría de elementos contaminantes posibles. La
atmósfera es entonces una atmósfera neutra compuesta de nitrógeno,
exenta de oxígeno y de vapor de agua.
Al final de esta fase preparatoria se ha
procedido a una subida de la temperatura del horno por convección
con nitrógeno (inyectado a partir de la fuente de nitrógeno) y/o por
radiación (resistencias) hasta obtener un nivel de temperatura
comprendido entre 500 y 900ºC, aquí del orden de 900ºC.
Un mantenimiento de la temperatura a este nivel
(una constante de temperatura) ha sido buscado durante un periodo
de tiempo suficiente para asegurarse de la homogeneidad de la
temperatura de las piezas.
Se ha procedido enseguida a poner bajo vacío
primario el recinto para asegurar una eliminación del nitrógeno
previamente inyectado y después al arranque de la fase de difusión
gracias a una inyección de amoníaco con una presión P comprendida
entre 100 y 900 mbars, aquí de 300 mbars, siendo superior la
temperatura a 500ºC.
Esta fase de difusión ha sido buscada durante
alrededor de 7 horas, de manera que se obtiene una capa de difusión
de alrededor de 0,040 mm de espesor medio.
Al final de la fase de difusión se ha efectuado
una nueva puesta bajo vacío primario del recinto para eliminar el
amoníaco y después se ha procedido a un enfriamiento del horno hasta
la temperatura ambiente. Se ha abierto enseguida el horno y se ha
deshornado la carga.
Las piezas tratadas presentan al final una capa
amarilla compacta y homogénea de nitruro de titanio Ti_{x}N_{y}
de espesor del orden de 4 mm y de dureza muy elevada (>1000 HV),
y por consecuencia una muy buena resistencia a los frotamientos y
un excelente aguante al uso. La capa de difusión (espesor de
algunas centésimas de mm y dureza >400 HV) tiende ahora por
naturaleza a mejorar la resistencia a la fatiga (siendo la dureza
en el núcleo de 339 HV).
Una ventaja importante de este procedimiento
consiste en que permite obtener una muy buena homogeneidad del
tratamiento incluso en el caso de piezas de formas y de geometrías
complejas en las que se comprenden formas huecas. Además, el
tratamiento se extiende a las zonas de contacto de las piezas sobre
su soporte.
Bien entendida la invención no se limita al modo
de ejecución previamente descrito. En efecto, el gas de tratamiento
podría ser diferente al amoníaco y podría por ejemplo consistir de
una atmósfera a base de hidrocarburos (C_{2}H_{2},
C_{3}H_{8}, CH_{4}....) con el fin de consolidar
superficialmente las aleaciones. En este caso se obtiene una capa
superficial de color gris metálico, de gran dureza y que posee
propiedades tropológicas acrecentadas.
Igualmente la atmósfera de tratamiento podría
comprender un gas oxidante de manera que se obtenga una capa
superficial (TiO, TiO_{2}, Ti_{2}O_{3},ZrO_{2}..) que
presenta coloraciones diversas (azul, verde, violeta) y una gran
dureza.
Esta capa de óxido Ti_{x}O_{y}, de un espesor
de algunos micrones y de dureza superior a 1000 HV es compacta y
homogénea sobre toda la superficie de la pieza. Los colores que se
obtienen son brillantes y muy variados. Permite mejorar
considerablemente la resistencia al frotamiento de las piezas. Bien
entendido el aspecto de las piezas es función del estado de
superficie inicial y de la estequiometría de la capa de
Ti_{x}O_{y}.
La atmósfera de tratamiento podría igualmente
consistir en una combinación de NH_{3} + CH_{4} de manera que
se obtenga una capa superficial de carbonitruros TiC_{x} Ny o Zr
CN de color rosa o crema.
Podría además consistir en una mezcla de oxígeno
y O_{2} + N_{2} o N_{2}O + N_{2} de manera que se obtengan
capas de oxinitruros: Ti O_{x} N_{y}; Zr O_{x}N_{y} de
coloraciones diversas.
Claims (6)
1. Procedimiento para la formación mediante un
tratamiento termoquímico sin plasma de una capa superficial que
presenta una dureza elevada y que posee propiedades tribológicas,
sobre piezas en aleaciones de metales sensibles o reactivos frente
al nitrógeno, tales como el titanio o el zirconio,
caracterizado porque comprende las fases sucesivas
siguientes:
- -
- un desengrasado previo de las piezas por tratar,
- -
- enhornamiento de las piezas en el interior del recinto,
- -
- una primera puesta bajo vacío del recinto de manera que se eliminen los elementos contaminantes,
- -
- un aumento de temperatura del horno por convección al nitrógeno, y/o por radiación hasta la obtención de una temperatura de 650 a 900ºC, siendo la presión mantenida a una presión inferior o igual a 0,1 mbar,
- -
- mantener esta temperatura durante un periodo determinado de manera que se obtenga una temperatura homogénea de las piezas,
- -
- una segunda puesta bajo vacío eventual del recinto para asegurar la eliminación del nitrógeno inyectado en el momento del aumento de temperatura del horno,
- -
- la inyección de un gas de tratamiento que comprende amoníaco, sobre las piezas en tratamiento llevadas a una temperatura superior a 500ºC y el mantenimiento de la presión en el interior del horno en un valor comprendido entre 100 y 600 mbars, de preferencia 300 mbars, durante un periodo comprendido entre algunos minutos y 24 horas o más, en función de la profundidad del tratamiento deseado, de manera que se obtenga:
- \bullet
- en extrema superficie, una capa de combinación de tipo Ti_{x} N_{y} que presenta un espesor de algunos micrones,
- \bullet
- una sub-capa de difusión de dureza más elevada que la del sustrato,
- -
- una tercera puesta bajo vacío del recinto para eliminar el gas de tratamiento y para enfriar el horno,
- -
- el deshornado de las piezas.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque la dicha atmósfera es una atmósfera
neutra y exenta de oxígeno y de vapor de agua.
3. Procedimiento según la reivindicación 2,
caracterizado porque la dicha atmósfera está compuesta de
nitrógeno.
4. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes caracterizado porque comprende
la remoción del gas de tratamiento.
5. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque el dicho tratamiento es un tratamiento
de carbonitruración, y porque, en ese caso, el gas de tratamiento
es una combinación NH_{3} + CH_{4}.
6. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque el dicho tratamiento es un tratamiento
de oxinitruración, y porque, en ese caso, el gas de tratamiento
consiste en una mezcla de oxígeno y nitrógeno.
Applications Claiming Priority (2)
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| FR9706518A FR2763604B1 (fr) | 1997-05-23 | 1997-05-23 | Procede pour la formation, par un traitement thermochimique sans plasma, d'une couche superficielle presentant une durete elevee |
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| Publication Number | Publication Date |
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| ES2247665T3 true ES2247665T3 (es) | 2006-03-01 |
Family
ID=9507313
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| ES98401235T Expired - Lifetime ES2247665T3 (es) | 1997-05-23 | 1998-05-22 | Procedimiento para la fromacion, por tratamiento termoquimico sin plasma, de una capa superficial que presenta una dureza elevada. |
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