INSTITUTD DE ENSAYDS E INVESTIGACIDNMetalurgia

Carburizaci6n Gaseosapor Generaci6n Endotermica

Este articulo presenta los factores mas importantes que regulan elproceso de carburizaci6n gasQosaen aceros por generaci6n endotarrni-ca a partir de gas propane y hace parte de la linea de investigaci6n"Tratamientos Termoquimicos en los Aceros" la cual desarrolla laSecci6n de Metalurgia. adscrita allnstituto de Ensayose Investigaci6n.

ALVARO CASTRO P.Ingeniero Mecanico. M.Sc.Director Departamento deIngenierla Mecanica

EI tratamiento termoqufmico decernentacion gaseosa consistefundamentalmente en la mcorpo-racicn de carbona en la superficiede los aceros por medio de unamezcla gaseosa que se Introduceen un horno el cual contienepiezas de acero que se van acarburizar a elevada temperatura.

Por medio de este proceso seper sique consequir superficiesresistentes al desgaste y nucleostenaces.

Factores que controlan el flujo decarbona en el acero

Se pueden dividir en dos clases.aquellos que se relacionan con elmedio cementante y los que tie-nen que ver con las caracterlsti-cas del acero.

EI comportamiento del medio ce-mentante se puede eva'uar pormedio de los siquientes factores:

1) Titulo 0 potencial de carbono(Pc). Expresa la cantidad maxi-ma de carbono que puede al-canzar la superficie de un aceroindependientemente del tiem-po que necesite para lograrlo.Como es de suponer este po-tencial depende del tipo deatmosfera que se este utilizan-do.

2) Actividad del carbono (Ac). In-dica la velocidad con que elcarbona del medio cementantepuede depositarse en la super-ficie del acero. Generalmente

6- Ingenierla e Investigaci6n

se expresa como cantidad engramos de carbono absorbidopor centimetro cuadrado y porsegundo

La capacidad de un acero parapermitir la Inclusion de carbonoen la superficie depende tarnbiende dos factores:

1) Velocidad de difusi6n (Vd). Velo-cidad con que el carbono de lasuperficie del acero es trans-portado hacia el interior delmismo. Este factor es funciona su vez de la temperatura decarburizacion y de la composi-cion del acero.

2) Concentraci6n de satu raci6n(Cs). Cantidad maxima de car-bono que puede disolver -Iaaustenita a las temperaturas decernentacion. En los aceros alcarbono viene dada por la lineade tr anstorrnacion Acm.

La Figura 1 muestra la relacionex.stente entre los cuatro factoresanteriormente rnencionados. aslcomo las cornbinaciones posiblesque se pueden presentar en elproceso de cernentacion.

Atm6sferas protectoras ycarburizantes

Las tablas 1 y 2 presentan laclasificacion y las aplicaciones delas principales atrnostsras con-troladas que se utilizan en laindustria.

Atm6sferas endotermicasEn los ultirnos 15 arios se hadesarrollado notablemente el uso

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Ac;;;'Vd Ac<Vd

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6.7 r-CEMENTITA

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PROFUNDIDAD DE CEMENTACION •

DURACION DE TRATAMIENTO 1 < 2 < 3 <-4 < 5 = CEMENTACION CEMENTITICA

FIGURA 1. Combinaciones posibles que se pueden presentar en el proceso de cementaci6n.

TABLA 1

CLASIFICACION DE LAS PRINCIPALES ATMOSFERAS CONTROLADAS

COMPOSICION NORMAL % EN VOLUMENCLASE TIPO

N2 CO CO2 H CH4

101 Exotermica pobre 86.8 1.5 10.5 1.2 -

102 Exotermica rica 71.5 10.5 5.0 12.5 0.5201 Nitrogeno preparado 97.5 1.7 - 1.2 -

pobre.202 Nitrogeno preparado 75.3 11.0 - 13.2 0.5

rico.301 Endoterrnica pobre 45.1 19.6 0.4 34.6 0.3302 Endoterrnica rica 39.8 20.7 - 38.7 0.8402 Carbon de madera 64.1 34.7 - 1.2 -

501 Exot-endot pobre 63.0 17.0 - 20.0 -

502 Exot-endot rica 60.0 19.0 - 21.0 -

601 Amoniaco disociado 25.0 - - 75.0 -

621 Amonfaco quemado 99.0 - - 1.0 -

pobre622 Amonfaco quemado rico 80.0 - - 20.0 -

Ingenierla e Investigaci6n -7

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TABLA 2APLICACIONES TIPICAS DE LAS PRINCIPALES ATMOSFERAS CONTROLADAS (a)

CLASE TIPO APLICACIONES

101 Exoterrnica pobre Revestimiento de 6xido en aceros102 Exoterrnica rica Recocido brillante, sinterizaci6n, soldadura fuerte

de Cu.

201 N2 preparado pobre Calentamiento neutro202 N2 preparado rico Recocido y soldadura fuerte de aceros inoxidables301 Endoterrnica pobre Temple302 Endoterrnica rica Cementaci6n a gas402 Carb6n de madera Cementaci6n a gas501 Exot-endot pobre Temple502 Exot-endot rica Cementaci6n a gas601 Amoniaco disociado Sinterizaci6n, soldadura fuerte621 Amoniaco quemado Calentamiento neutro

pobre

622 Amoniaco quemado Sinterizaci6n de aceros en polvorico

a) Estas atm6sferas pueden ser usadas para muchos otros procesos. dependiendo de la disporubili-dad y costa de materiales. volumen de gas requerido. duraci6n del proceso y equipo disponible.

de atm6sferas controladas obte-nidas en generadores endoterrni-cos can la finalidad de protegerlas piezas de acero contra laoxidaci6n y la descarburizaci6n apara cementarlas.

Las atm6sferas eridoterrnicas seobtienen hacienda pasar unamezcla de aire y combustible(metana a propanol par una re-torta que tiene un catalizador(oxide de nfquel) a alta tempera-tura (9500C a 1.0500C) EI gasobtenido (endogas a gas porta-dar) es enfriado drasticarnentepara evitar la reversibilidad de lasreacciones y luego es conducidoal horno donde se va a realizar eltratamiento terrnico (Figura 2) EIpotencial de carbona deseadodentro del horno se regula gene-ralmente con adiciones de canti-dades bien definidas de gas enri-quecedor (metana 0 propanol.

La gran utilizaci6n de las atm6sfe-ras de tipo endoterrnico se basa

8- Ingenierfa e Investigaci6n

en la facilidad de producirlas ycontrolarlas. asf como en el bajocosta de rnantenirniento de losgeneradores.

Entre las desventajas se puedenrnencionar:

1) La activa reacci6n can el cromopara formar carburos irnpidien-do su usa en los tratamientosterrnicos de la mayoria de losaceros inoxidables.

2) La tendencia a formar mezclasexplosivas cuando entra la at-mostera en contacto can elaire. debido a la alta concen-traci6n de hidroqeno y mon6xi-do de -carbono.

3) La tendencia a precipitar car-bon (hollin) cuando se trabaja abajas temperaturas.

Las aplicaciones tfpicas de estasatm6sferas son:

1. Obtenci6n de elevadas durezasen los aceros de cualquier con-ten Ida de carbona al evitar la

descarburizaci6n total a parcialde su superficie.

2. Recocido y normalizado de a-ceros de cualquier contenidode carbona sin presentar oxi-daci6n a descarburizaci6n.

3. Restauraci6n superficial depiezas de acero descarburiza-das durante la forja a trata-miento termico inadecuado.

4. Utilizaci6n como gases porta-dores en procesos de cementa-ci6n y carbonitruraci6n.

Reacciones de oxidaci6n en elgenerador

Las principales reacciones de OXI-

daci6n a disociacion se realizan apartir del metana a del propane.estas son:

1. Gas endoterrnico de meta no:

CH4+2381 (0.2102 +0.7 9 N2)-7CO + 2 H2 + 1.88 1N2

Composici6n teorica: 20.50%CO. 38.50%H2. 38.50% N2

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HORNO CONCATALIZADOR",

~QUEMADOR

II11I II II:I I

IIIIII,I II I

I II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II

ENFRIADORDE GAS

FIL TRO

REGULADOR

/ENTRADADE AIRE

t

MEDIDORESDE FLUJO

<5u;J'.

08

/CONTROL AUTOMATICO

~VALVULA AUTOIV1ATICADE PRESION Y FLUJO

FIGURA 2. Diagrama asquernatico de un generador endotermico utilizado en el proceso de cementaci6n gaseosa.

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750 800 850 900 950

FIGURA 3. Relaci6nexistente entre elporcentaje de CO2•

el exceso de aire y latemperatura paragas endotermico depropano.

2. Gas endoterrnico de propano

C3Hs + 7.143(021 Oz +079Nz)~ 3CO + 4Hz + 5.64Nz

Cornpcsicion teorica23 75%CO. 3160%Hz.4465%Nz

Univer salrnente se ha aceptadoque el agente cementante real esel monoxide de carbona. de a-cuerdo can la srquiente reaccion

2CO~COz + C

EI carbona penetra en el acero y elbioxido de carbona S8 regenerapara formar nuevamente rnonoxi-do.

Las ventajas de utilizar en ei hornode tratamiento terrnico un gasportador como el andoterrnico enlugar de introducir en el rrusrno lamezcla de aire y combustible(practice que se realize en uncormenzo can muy malos resulta-dos) se pueden si ntetrzar en lossiqutentes puntas

1. Las reaccrones quirnicas se Ile-van a cabo dentro del genera-

Temperatura del generador

1000

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6

4

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8 gex"

'050 1'00 'C

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dor y permiten agliizar la des-cornposicion de los gases reac-cionantes por medio de catali-zadores pudiendcse posterior-mente hacer un control ads-cuado de la actividad de laatmosfera que garantice piezaslimpias y con propiedades ho-moqeneas.

2. Se evita la presencia de unaatmosfera excesivamente con-centrada con hidrocarburosque forma capas de hollin en lasuperficie del acero.

3. Se asegura una presion positi-va dentro del horno que evite laentrada de aire y produzcaoxidacion del acero.

4. Se mantiene una circulacionadecuada de la mezcla de car-burizante 10 cual garantiza unacementacion uniforme en to-das las piezas que se encuen-tren en el horno.

Composici6n quimica yactividad de carbona en el

generadorPara conocer la composlclon quf-mica y la activldad del carbona deun3 mezcla generada a partir deun hldrocarburo, se hace usa delas ecuaclones que regulan elproceso de descomposiclon quf-mica, tenlendo en cuenta la tem-peratura del generador y la rela-cion aile-combustible que se Ieeste introduciendo

Las figuras 3 y 4 presentan larelacion entre temperatura delgenerador, cantidad de bloxidode carbono, exceso de alre, actlvi-dad de carbona del gas producl-do y punta de rode del gasportador 0 el1dogas, cuando seutillza propano cO.rno combusti-ble.Las Figuras 5, 6 Y 7 por su parte,muestran la relaclon existenteentre la actividad del carbono, elpotencial de carbona en el acero,la temperatura del horne dondese encuentra el acero, el punto deroclo del gas carburizante y lacantldad de bioxido de carbono.De los graticos menclonados an-teriormente se puede observarque el proceso completo degeneraclon endotermlca ycementaclon gaseosa de plezasde acero se puede controlar ml-

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900 950 1000 1050 1100Temperatura del generador (DC)

FIGURA 4. Relaci6n existente entre el punto de roclo. el exceso deaire y la temperatura paragas endoterrnico propane,

diendo las cantidades de bioxidode carbona 0 conociendo el pun-ta de roclo de la mezcla carburi-za nte.

Procesos de cementaci6nrealizados en condiciones fuera

del equilibrioLos dlagramas de equilibria quese han presentado en las Figuras3 a 7 deben utilizarse con precau-cion ya que en condiciones realespueden Ilevar a resultados falsos,esto se debe a que el contenidode carbono que se desea obteneren la superficie de una plezadepende del espesor de la capacementada. Asi por ejemplo (FI-gura 8), Sl se desea cementar lasuperficle de una pieza de acerohasta una profundldad de 0.4milfmetros para obtener 0.8% decarbono ~ 9250C, se necesita queel acero permanezca dentro delhorno una hora en una atmosferacarburizante que tenga 0.17% debloxldo de carbono. Bajo las mls-mas condiciones, la mlsma plezanecesltara de 20 horas para ga-rantizar 0.8% de carbona en lasuperficie y una profundidad de1.5 mllfmetros

51 se utlliza la Figura 7 paraconocer el porcentaje de bloxldode carbona que debe tener laatmosfera cementada para ga-

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Actividad del carbonaae

FIGURA 5. Correspondencia entre la activi-dad del' carbona y el potencial de carbonaa diferentes temperaturas,

rantizar 0.8% de carbona en lasuperficie, nos dara un valor de0.25%, esto es clerto Sl la profun-didad de la capa es superior a 1.6milfmetros (0062 pulgadas) y tansolo se obtendrfa despues de 20horas (Figura 8) Can esta atmos-

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fera se lograrfa tener al cabo deuna hora de cernentacion sola-mente 0.65% de carbon superfi-cial para un espesor de 0.4 mili-metros (00158 pulgadas)EI anal isis anterior muestra clara-mente que en la mayorfa de loscasos reales se tr abaja en condi-crones de desequilibrio (espeso-res interiores a 16 milimetros ytiempos de cernentacion meno-res de 20 horas a 925°C), por 10cual es irnportante tener en cuen-ta estas alter aciones para evrtarsorpresas en los resultados fina-les.

FIGURA 6, Relaci6ndirecta entre el po-tencial de carbono yel punto de roclo pa-ra gal endoterrnicode propano para di-ferentel temperatu-ral del horne,

FIGURA 7. Relaci6"directa entre el por-centaje de CO2 y elpotencial de carbo-no para gal endoter-mico de propano pa-ra diferentel tempe-raturee del horno.

FUERA DE EQUILIBRIO I EQUILIBRIO

* 15

1VOLTIOS

ui ACERO NO ALEADO CO2 % IREF. AIRElu 1.4 ENDOGAS DE PROPANOLL TEMPERATURA 9250 Ca: 13 Ac < Vd 0.12 1.16uic,::J 1.2(/)

z 1.1 0.15w 1.150 10 OFz0 09 020 1 14coa: 023« 08 113u 026w

0.7 1 120 0.3000 06 035 1.11Zw 05 I 040 1.10f-z 0.4 I0u

031/2 1 2 3 4 10 20 40 TI EMPO IHORASl

I I I I I I I Profundidad de capa

10 14 20 2530 48 62 X 10'-; PULG.

FIGURA 8.- Helacion entre el contenido de CO2, el porcenta-je de carbona superficial y el tiempo de cemerrtacion 0 pro-fundidad de capa para gas endoterrnico de propane y acerono aleado a 9250C en estado de equilibrio y fuera de el.Cementacion a un solo nivel (potencial de carbona constantedurante todo el proceso).

1.5,-.,..,-----r--------,r-----,-----r--,

1.41--\!--"r---+---____jf-----+----t_--j

1.3~-----t\-_\_~-+_---+---____j----t_--j

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0.7

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0.5

0.4

0.30.5 1.0 '.5 2.0

Porcentaje de CO,

BIBLIOGRAFIATrabajos de grade realizados dentro de lalinea de inve strqacro n "Tratamientos Ter-rnoquirnicos". que se desarrolla en el De-partamento de Ingenieria Mecanica de laUruver sidac Nacional bajo la direcci6n delautor del articulo.

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