ES2695975T3 - Procedimiento de enfriamiento de piezas metálicas que han experimentado un tratamiento de nitruración / nitrocarburación en baño de sal fundida, la instalación para la implementación del procedimiento y las piezas metálicas tratadas - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de enfriamiento de piezas metálicas que han experimentado un tratamiento de nitruración / nitrocarburación en baño de sal fundida, caracterizado por que: - antes del final de dicho tratamiento, se llena de agente refrigerante, en forma líquida y que tiene una fuerte capacidad de expansión volumétrica durante su vaporización, un recinto (1) dispuesto para evacuar el oxígeno contenido en dicho recinto, con el fin de crear una atmósfera inerte, - se transfiere el conjunto de las piezas tratadas al recinto (1) a una velocidad mínima de 6 m/min, - se cierra el recinto (1), - se dejan las piezas en el recinto durante una duración determinada para alcanzar una temperatura, según la cual la sal se cuaja y constituye una barrera de protección, - se retiran las piezas que se someten a una operación de enjuague.
Description
DESCRIPCION
Procedimiento de enfriamiento de piezas metalicas que han experimentado un tratamiento de nitruracion / nitrocarburacion en bano de sal fundida, la instalacion para la implementacion del procedimiento y las piezas metalicas tratadas
La invencion se refiere a un procedimiento y a una instalacion de enfriamiento de piezas metalicas que han experimentado un tratamiento de nitruracion / nitrocarburacion en bano de sales fundidas. La invencion se refiere, igualmente, a las piezas tratadas de este modo.
Para un experto en la materia se conoce perfectamente que, con el fin de disminuir el coeficiente de rozamiento y mejorar la resistencia al desgaste por adhesion y abrasion de piezas metalicas, se utilizan unos procedimientos que implementan una difusion termoqmmica de nitrogeno por nitruracion o nitrocarburacion en unos banos de sales en fusion. En lo esencial, estos banos de sales estan constituidos, de manera general, por cianato y carbonato alcalino. Cuando se alcanza la temperatura de nitruracion, el cianato alcalino libera nitrogeno y carbono que se difunden sobre la superficie de la pieza. Los tiempos de tratamiento estan comprendidos, de manera general, entre 20 y 180 min a unas temperaturas comprendidas entre 400 y 700 °C. Estos procedimientos utilizados industrialmente, se conocen, por ejemplo, por las marcas SURSULF o TENIFER.
Se recuerda que un procedimiento de tratamiento de nitruracion/ nitrocarburacion comprende las siguientes etapas esenciales:
* desengrase de las piezas,
* precalentamiento,
* tratamiento de nitrocarburacion,
* enfriamiento,
* enjuague,
* secado,
En el caso de aleaciones ferrosas, este tratamiento induce, de manera general, la formacion de dos zonas caractensticas: una primera zona en superficie, de espesor comprendido entre 5 y 30 pm compuesta principalmente por nitruros £ (Fe2....3n) y por nitruros y' (Fe4N)), llamada zona de combinacion, seguido de una segunda zona, de espesor comprendido, de manera general, entre 0,2 y 1,5 mm caracterizada por la presencia de nitrogeno en solucion solida en los granos de hierro y en forma de nitruros de elementos de aleaciones, llamado capa de difusion.
Se han desarrollado diferentes procedimientos de enfriamiento alternativos despues del tratamiento de nitrocarburacion, con el fin de mejorar algunas caractensticas de las piezas tratadas:
* una mejora de la consistencia a la corrosion de las piezas tratadas se obtiene sustituyendo el enfriamiento por temple con agua, por temple en un bano de sal oxidante (380-420 °C). Este tipo de tratamiento, conocido, por ejemplo, por las marcas Arcor® o AB1®, produce un oxido de hierro negro (Fe3O4) sobre la superficie tratada.
* una disminucion de la fragilidad o una mejora de la ductilidad de las piezas tratadas, se obtiene sustituyendo el enfriamiento por temple con agua, por un enfriamiento mas lento de tipo enfriamiento con aceite o tambien mas lento por un enfriamiento con aire. El enfriamiento lento se aconseja, igualmente, para unas piezas que no soporten unas grandes deformaciones. Las piezas obtenidas estan caracterizadas por la presencia de precipitados de nitruro de hierro Y'-Fe4 N y a"-Fei6 N2 , paralelamente a la junta de granos en la capa de difusion. La precipitacion esta relacionada con la disminucion del lfmite de solubilidad del nitrogeno en el hierro con la temperatura.
En el caso de un tratamiento industrial de piezas, estas ultimas estan dispuestas en una rejilla metalica, con el fin de facilitar su transporte, por ejemplo, por medio de robots, entre los diferentes puestos de tratamiento. Por unas cuestiones de productividad, estando la tasa de llenado de la rejilla al maximo, de modo que las piezas son susceptibles de estar en contacto las unas con las otras. La transferencia de las piezas desde el bano de nitruracion hasta la zona de enfriamiento se efectua segun una duracion tal, que en contacto con el aire ambiente aparecen sobre la superficie de una parte mas o menos importante de las piezas tratadas unas manchas de oxidacion o de decoloracion superficial. Unos ensayos efectuados en laboratorio han demostrado que, a partir de un tiempo de transferencia superior a aproximadamente 30 segundos, se observa la aparicion de manchas de oxidacion sobre algunas piezas solamente, mientras que, a partir de un tiempo de transferencia del orden de 120 segundos, el conjunto de las piezas esta oxidadas. Ahora bien, el tiempo de transferencia industrial entre dos zonas de tratamientos sucesivos, esta comprendido, de manera general, entre estos dos valores.
Conviene senalar, igualmente, que un enfriamiento con aire induce forzosamente una oxidacion superficial de las piezas.
Es bien evidente que la presencia de estas manchas de oxidacion no es aceptable para algunas aplicaciones. No solamente, estas manchas son nocivas para el aspecto de las piezas, sino, igualmente, para su utilizacion, en concreto,
en el caso de aplicaciones exigentes en cuanto a limpieza de las superficies. En efecto, las zonas oxidadas generan polvo que puede crear, en presencias de lubricantes, unos agregados, provocar un desgaste abrasivo perjudicial para la aplicacion considerada.
En el estado actual de la tecnica, las soluciones industriales propuestas no permiten garantizar un tratamiento de nitruracion / nitrocarburacion en banos de sales fundidas, con un nivel de limpieza y de aspecto suficiente, dicho de otra manera, sin traza de oxidacion sobre el conjunto de las piezas tratadas.
A este respecto, conviene recordar que el campo tecnico de la invencion se refiere a un tratamiento industrial de las piezas que no es comparable con un tratamiento de nitruracion / nitrocarburacion, efectuado a escala de un laboratorio donde las piezas solo se tratan en pequenas cantidades. En laboratorio, es posible, por consiguiente, despues del bano de nitruracion, transferir las piezas de manera lo suficientemente rapida como para evitar la oxidacion durante un enfriamiento con agua, por ejemplo.
Se reconoce que esto no es posible en un plano industrial, cuando se trata de tratar de manera simultanea un numero importante de piezas, lo que genera una tasa de descarte importante. Incluso reduciendo al maximo el tiempo de transferencia de las piezas, en concreto, entre la zona de tratamiento y la zona de enfriamiento, resulta necesario, entonces, proceder a un control visual y a una clasificacion unitaria de las piezas para garantizar la ausencia de trazas de oxidacion.
La patente de los Estados Unidos US 3560271 se refiere a un procedimiento de nitruracion en banos de sales fundidas con como objetivo ralentizar el enfriamiento despues de nitruracion, con el fin de limitar el nivel de tensiones para limitar, por consiguiente, los riesgos de fisuracion de la capa. El enfriamiento se efectua en vacfo unicamente por radiacion, lo que conduce a unos tiempos de enfriamientos diffcilmente compatible con un proceso industrial (de varias horas a varias decenas de horas).
Ademas, la utilizacion de un procedimiento de este tipo, no permite garantizar la ausencia total de traza de oxidacion en el marco del tratamiento de un gran numero de piezas que necesita unos tiempos de transferencia relativamente elevada entre el puesto de tratamiento y el puesto de enfriamiento (esto es, durante la transferencia de las cargas, la inercia masica impone unas fases de estabilizacion de las cargas de piezas despues de desaceleracion, en concreto, durante las transferencias horizontales, por lo tanto, unos tiempos de transferencia minima).
Por lo tanto, se desprende del analisis del estado de la tecnica, que las soluciones industriales utilizadas no permiten garantizar un tratamiento de nitruracion / nitrocarburacion en banos de sales fundidas con un nivel de limpieza y de aspecto suficiente, dicho de otra manera, sin traza de oxidacion sobre una parte o el conjunto de las piezas tratadas.
Se observa, igualmente, que no es posible, sobre todo en el caso de un tratamiento industrial, obtener unas piezas que presenten a la vez una ductilidad suficiente y la ausencia de traza de oxidacion.
La invencion se ha fijado como finalidad remediar estos inconvenientes de una manera sencilla, segura, eficaz y racional.
Por lo tanto, el problema que se propone resolver la invencion es garantizar, en el caso de un tratamiento industrial de piezas metalicas que han experimentado un tratamiento de nitruracion / nitrocarburacion en banos de sales fundidas, la ausencia de trazas de corrosion - oxidacion, con como objetivo, mejorar su ductilidad.
Para resolver un problema de este tipo, se ha disenado y puesto a punto un procedimiento de enfriamiento de piezas metalicas que han experimentado un tratamiento de nitruracion / nitrocarburacion en bano de sal fundida, segun el cual:
- antes del final de dicho tratamiento, se llena de agente refrigerante, en forma lfquida y que tiene una fuerte capacidad de expansion volumetrica durante su vaporizacion, un recinto dispuesto para evacuar el oxfgeno contenido en dicho recinto, con el fin de crear una atmosfera inerte,
- se transfiere el conjunto de las piezas tratadas al recinto a una velocidad minima de 6 m/min,
- se cierra el recinto,
- se dejan las piezas en el recinto durante una duracion determinada para alcanzar una temperatura segun la cual la sal se cuaja y constituye una barrera de proteccion,
- se retiran las piezas que se someten a una operacion de enjuague.
Ventajosamente, el agente refrigerante es el nitrogeno lfquido que va a vaporizarse de manera muy rapida gracias al calor del bano y de las piezas. Una vaporizacion de este tipo va a producir un volumen de gas aproximadamente 630 veces superior, lo que va a evacuar de manera muy rapida el oxfgeno que se encuentra en el interior del recinto. De ello resulta un enfriamiento lento al nivel metalurgico del termino, pero lo suficientemente rapido como para ser compatible con un proceso industrial, de las piezas en atmosfera inerte, garantizandoles un nivel de ductilidad sin riesgo de aparicion de manchas de oxidacion y, por consiguiente, de riesgos de emision ulterior de polvo.
Segun otra caractenstica, se llena de nitrogeno Kquido el recinto, de 2 a 3 min antes del final del tratamiento de nitruracion / nitrocarburacion. A la salida del tratamiento de nitruracion / nitrocarburacion se transfieren las piezas de manera vertical hacia el recinto lleno de nitrogeno lfquido a una velocidad minima de 6 m/min.
Despues de enfriamiento a una temperatura del orden de 350 °C, se enjuaga con agua a una temperatura comprendida entre 40 y 50 °C, luego, con agua a una temperatura comprendida entre 15 y 25 °C.
Para la implementacion del procedimiento, el recinto de enfriamiento segun la reivindicacion 5 esta dispuesto en relacion directa con el puesto de nitruracion /nitrocarburacion siendo solidario con un carro de transferencia para una transferencia rapida a una velocidad minima de 6 m/min del conjunto de las piezas a dicho recinto.
Para resolver el problema planteado de obtener un enfriamiento lento de las piezas y una saturacion extremadamente rapida del interior del recinto de nitrogeno, sin tener que recurrir a unos sistemas de bombeo previo para expulsar el aire presente de manera inicial, el recinto esta constituido por una campana con doble pared en la cual se inyecta el nitrogeno lfquido, presentando dicha doble pared unas disposiciones para la difusion del nitrogeno en el interior de la campana.
Segun otras caractensticas, la base de la campana coopera con unos medios adecuados para dar un libre acceso al interior de dicha campana para la transferencia de piezas y para volver a cerrar este acceso durante la fase de enfriamiento.. Los medios estan constituidos por unas puertas solidarias con una parte del puesto de tratamiento.
La invencion se refiere, igualmente, a las piezas que han experimentado un tratamiento de nitruracion / nitrocarburacion en banos de sales fundidas, segun las caractensticas del procedimiento reivindicado. De manera mas general, la invencion se refiere a las piezas metalicas sobre las cuales se observa una ausencia de mancha de oxidacion y la presencia de precipitado de nitruro en la zona de difusion
La invencion se expone a continuacion con mas detalle con la ayuda de las figuras de los dibujos adjuntos en los cuales:
- La figura 1 es una vista en corte con caracter esquematico del recinto en forma de una campana segun las caractensticas de la invencion.
- Las figuras 2, 3 y 4 son unas vistas con caracter esquematico que muestran unas fases principales del procedimiento de tratamiento segun las caractensticas de la invencion.
- Las figuras 5, 6, 7, 8 y 9 muestran una muestra de piezas despues de un tratamiento de 60 minutos en un bano de nitrocarburacion SURSULF (CN-: 4,15 %; CNO- 30,5 %) a 580°°C y enfriado segun el estado anterior de la tecnica y en diferentes condiciones (figuras 5, 6, 7, y 8) y segun la invencion, es decir, en nitrogeno lfquido (figura 9); a cada muestra esta asociado el corte micrografico correspondiente.
La instalacion para la nitruracion / nitrocarburacion en banos de sales fundidas de las piezas metalicas no se describe con detalle, ya que un experto en la materia la conoce perfectamente, siendo susceptible de presentar diferentes variantes de ejecucion.
La instalacion esta adaptada para tratar de manera industrial las piezas, es decir, no de manera unitaria, sino por lotes, disponiendo, por ejemplo, dichas piezas en una rejilla metalica, con el fin de facilitar su transferencia por robots entre los diferentes puestos de tratamiento.
Segun la invencion, un recinto de enfriamiento (1) esta dispuesto en relacion directa con el puesto de nitruracion / nitrocarburacion siendo solidario con un carro de transferencia para una transferencia rapida a una velocidad minima de 6 m/min del conjunto de piezas consideradas (P) a dicho recinto (1). Como se ha indicado, las piezas (P) estan dispuestas, por ejemplo, en una rejilla (R).
Segun una caractenstica importante de la invencion, el recinto (1) esta constituido por una campana con doble pared (1a) en la cual se inyecta nitrogeno lfquido. Esta doble pared (1a) presenta unas disposiciones para la difusion del nitrogeno lfquido en el interior de la campana (1). Por ejemplo, la doble pared (1a) presenta unas trabas (1b) para la difusion del nitrogeno lfquido a traves de orificios calibrados (1c). La alimentacion de nitrogeno lfquido se efectua por cualesquiera medios conocidos y apropiados (2). La campana (1) esta sujeta al carro de transferencia. La abertura de la campana, situada en su extremo inferior, coopera con unas puertas (3) y (4) solidarias con el puesto de nitrocarburacion.
Se remite a las figuras 2, 3 y 4 que muestran las fases principales del procedimiento en la base de las caractensticas de la invencion. El tratamiento de nitrocarburacion como tal, puede ser, por ejemplo, del tipo del conocido por la marca SURSULF, TENIFER.... La duracion del tratamiento comprendida, de manera general, entre 20 y 180 min es tradicionalmente del orden de 50 a 60 minutos. La campana (1) esta dispuesta por encima del bano (T) en el cual se templa el conjunto de piezas (P) dispuestas en la rejilla (R). Las puertas (3) y (4) estan abiertas (figura 2).
Algunos minutes, del orden de 2 a 3, antes del final del procedimiento de nitrocarburacion, se inyecta nitrogeno Kquido (A) a traves de la doble pared (1a) como se ha indicado anteriormente, con el fin de evacuar de manera muy rapida el ox^geno que se encuentra en el interior de la campana (1), con el fin de permitir a las piezas (P) un enfriamiento metalurgicamente lento en atmosfera inerte (figura 3).
En la figura 4, el conjunto de las piezas (P) se transfiere al interior de la campana (1) llena de nitrogeno lfquido (A). La transferencia se efectua a una velocidad rapida del orden de 6 m/min Las puertas (3) y (4) se vuelven a cerrar, a continuacion, con vistas a la operacion de enfriamiento como tal. En funcion de la masa de las piezas, el enfriamiento se efectua durante una duracion determinada para alcanzar 350 °C aproximadamente en ausencia de oxfgeno, observando que, por encima de esta temperatura, ya no hay oxidacion. Esta duracion es tradicionalmente inferior o sustancialmente igual al tiempo de tratamiento por nitruracion o nitrocarburacion de las piezas.
Debe senalarse que la velocidad de 6 m/min depende de la distancia entre el nivel del bano de nitruracion y la entrada en la campana; por lo tanto, esta velocidad puede ser superior segun los casos: cuanto mas elevada es la velocidad, mas correctos seran los resultados.
Despues de este enfriamiento, se procede a un enjuague del conjunto de las piezas, enjuague que puede efectuarse en un agua llevada a una temperatura de 40 a 50 °C, luego, en un agua llevada a una temperatura del orden de 20 °C.
Se remite a las figuras 5, 6, 7, 8 y 9 que muestran los resultados obtenidos sobre unas piezas tratadas segun las soluciones del estado anterior de la tecnica, figuras 5 a 8 y segun la invencion figura 9.
En las figuras 5, 6, 7 y 8, el enfriamiento se efectua segun el estado anterior de la tecnica por un temple de las piezas en el agua ya sea de manera inmediata despues del tratamiento de nitruracion/nitrocarburacion (imposible en unas condiciones industriales), figura 5, ya sea despues de una duracion mas o menos larga despues del tratamiento, a saber, 30 segundos despues del tratamiento (figura 6), 60 segundos despues del tratamiento (figura 7) y 120 segundos despues del tratamiento (figura 8).
En la figura 5, se constata la ausencia de manchas de oxidacion sobre las piezas y una ausencia de precipitados de nitruro en la capa de difusion. En las figuras 6, 7 y 8, se observa la aparicion de manchas de oxidacion (manchas parduzcas) y, sobre todo, un aumento claro del numero de zonas oxidadas con el aumento del tiempo entre la salida del bano y el temple con agua.
Paralelamente a la aparicion de estas zonas oxidadas, se puede observar sobre los cortes micrograficos la aparicion de un numero creciente de precipitados de nitruro de hierro, paralelamente al plano de las juntas de granos. Una aparicion de este tipo es caractenstica de un enfriamiento lento y esta relacionado con la disminucion del lfmite de la solubilidad de nitrogeno con la temperatura.
Por lo tanto, se desprende de los ensayos efectuados en las condiciones que incumben a las figuras 6, 7 y 8 que el enfriamiento por agua despues de nitruracion / nitrocarburacion no permite obtener, de manera industrial, unas piezas limpias ductiles, es decir, sin traza de oxidacion y con la presencia de precipitados de nitruro en la zona de difusion.
Segun la invencion, el enfriamiento con nitrogeno lfquido, figura 9, muestra de manera clara la ausencia de trazas de oxidacion superficial y la presencia de precipitados de nitruro, con, por consiguiente, unas propiedades mecanicas mejoradas.
Se remite a la tabla de a continuacion que muestra la medicion de dureza (Nota: medicion de rugosidad no aporta nada) sobre unas piezas despues de 60 minutos de tratamiento en un bano de nitrocarburacion (CN-: 4,15 %; CNO-30,5 %) a 580 °C, segun las condiciones de ensayo efectuados y mostrados en las figuras 5 a 9, es decir, enfriamiento por temple con agua de manera inmediata despues de la salida del bano de tratamiento (columna A), temple con agua 30 segundos despues de la salida del bano de tratamiento (columna B), temple con agua 60 segundos despues de tratamiento (columna C), temple con agua 120 segundos despues de tratamiento (columna D) y enfriamiento en nitrogeno lfquido (columna E).
Las ventajas se desprenden bien de la descripcion, en particular, se subraya y se recuerda:
- con respecto a un enfriamiento con agua, el procedimiento segun la invencion mejora la ductilidad de las piezas y limitan los riesgos de deformacion por un enfriamiento lento.
- con respecto a un enfriamiento con aire o con agua en el caso de un procedimiento industrial, el procedimiento segun la invencion garantiza un aspecto correcto de las piezas que es el resultado de una ausencia de trazas de corrosion despues de tratamiento, mejorando, por consiguiente, su estado de limpieza.
Claims (8)
1. Procedimiento de enfriamiento de piezas metalicas que han experimentado un tratamiento de nitruracion / nitrocarburacion en bano de sal fundida, caracterizado por que:
- antes del final de dicho tratamiento, se llena de agente refrigerante, en forma Ifquida y que tiene una fuerte capacidad de expansion volumetrica durante su vaporizacion, un recinto (1) dispuesto para evacuar el oxfgeno contenido en dicho recinto, con el fin de crear una atmosfera inerte,
- se transfiere el conjunto de las piezas tratadas al recinto (1) a una velocidad minima de 6 m/min,
- se cierra el recinto (1),
- se dejan las piezas en el recinto durante una duracion determinada para alcanzar una temperatura, segun la cual la sal se cuaja y constituye una barrera de proteccion,
- se retiran las piezas que se someten a una operacion de enjuague.
2. Procedimiento segun la reivindicacion 1 caracterizado por que el agente refrigerante es el nitrogeno lfquido.
3. Procedimiento segun la reivindicacion 2 caracterizado por que se llena de nitrogeno lfquido el recinto, de 2 a 3 min antes del final del tratamiento de nitruracion / nitrocarburacion.
4. Procedimiento segun una cualquiera de las reivindicaciones 1-3 caracterizado por que se enjuaga con agua a una temperatura comprendida entre 40 y 50 °C, luego, con agua a una temperatura del orden de 20 °C.
5. Instalacion para el enfriamiento de piezas metalicas que han experimentado un tratamiento de nitruracion/nitrocarburacion en bano de sal fundida, caracterizada por que comprende un recinto de enfriamiento (1) en el cual se inyecta un agente refrigerante en forma lfquida que tiene una fuerte capacidad expansiva volumetrica, estando dicho recinto dispuesto en relacion directa con un puesto de nitruracion /nitrocarburacion siendo solidario con un carro de transferencia para una transferencia rapida a una velocidad minima de 6 m/min del conjunto de las piezas a dicho recinto.
6. Instalacion segun la reivindicacion 5, caracterizada por que el recinto esta constituido por una campana con doble pared (1a) en la cual se inyecta el agente refrigerante en forma de nitrogeno lfquido, presentando dicha doble pared (1a) unas disposiciones para la difusion del nitrogeno en el interior de la campana.
7. Instalacion segun la reivindicacion 6, caracterizada por que la base de la campana coopera (1) con unos medios adecuados para dar el libre acceso al interior de dicha campana para la transferencia de piezas y para volver a cerrar este acceso durante la fase de enfriamiento.
8. Instalacion segun la reivindicacion 7, caracterizada por que los medios estan constituidos por unas puertas (3) y (4) solidarias con una parte del puesto de tratamiento.
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