Procedimiento de reducción de elementos intersticiales en colada de aleaciones y molde para la realización de dicho procedimiento.

El procedimiento de reducción de elementos intersticiales en colada de aleaciones comprende las etapas de inyectar dicha aleación en un molde para la formación de una pieza; dejar enfriar dicha aleación; y por el hecho de que se calienta por lo menos una zona del contorno de dicho molde, de manera que se provoca el flujo de los elementos intersticiales hacia dicha por lo menos una zona del contorno.

El molde (1) para la reducción de elementos intersticiales en colada de aleaciones se caracteriza por el hecho de que comprende por lo menos un elemento de calentamiento (2) situado en la periferia de dicho molde (1).

Se consigue un procedimiento en el que la mayoría de los elementos intersticiales quedan concentrados en una o varias zonas en la parte externa de la pieza de aleación.

Procedimiento de reducción de elementos intersticiales en colada de aleaciones y molde para la realización de dicho procedimiento.

La presente invención se refiere a un procedimiento de reducción de elementos intersticiales en colada de aleaciones. Particularmente, se refiere a un procedimiento de reducción de hidrógeno en colada de acero.

La presente invención también se refiere a un molde para la realización de dicho procedimiento.

Antecedentes de la invención

Es conocido que el hidrógeno es un elemento que puede provocar la fragilización de componentes de acero. En particular, la sensibilidad a la fragilización por hidrógeno es más evidente en las aleaciones de alta resistencia.

Diversos mecanismos han sido descritos como responsables de dicha fragilización. Estos mecanismos no empiezan a materializarse mientras la temperatura no descienda por debajo de un umbral tal que los elementos intersticiales en cuestión presenten una movilidad reducida y una solubilidad insuficiente, y tiendan a combinarse con otros elementos para formar compuestos fragilizantes.

Es conocido que el hidrógeno presenta una solubilidad en las diversas fases de las aleaciones férreas que varia de una fase a otra, y dentro de cada fase aumenta con la temperatura. Por ejemplo, en el caso del acero, la solubilidad en las fases sólidas oscila en torno a unos 8 ppm en austenita a alta temperatura (1400ºC), e inferior a 1 ppm en ferrita a temperatura ambiente, y 30 ppm aproximadamente en el líquido a 1600ºC.

Puede considerarse que el fenómeno de difusión de elementos intersticiales está gobernado principalmente por la agitación térmica de los átomos de la red cristalina, es decir, a mayor temperatura, mayor agitación térmica y, por lo tanto, mayor posibilidad de difusión. La fuerza motriz que genera el flujo de átomos es la reducción de energía libre del sistema. Rigurosamente, el flujo se produce desde las regiones de alto potencial químico hasta regiones de potencial químico inferior, y aunque habitualmente simplemente se tiene en cuenta el flujo producido entre regiones de alta concentración y regiones de baja concentración en el elemento que difunde, éste no es el único escenario posible.

Sin embargo, puede demostrarse que siempre que la movilidad atómica sea suficiente, y en ausencia de diferencias de composición u otros factores que provoquen un flujo más importante, un gradiente elevado provoca también un flujo neto de elementos intersticiales hacia regiones a mayor temperatura, las cuales al presentar mayor solubilidad se encuentran en un estado de saturación inferior, y por lo tanto, en las mismas condiciones de temperatura tendrían un menor potencial químico, y que a su vez se ve reforzado por el aumento de movilidad atómica debido al gradiente positivo de temperatura.

Durante el llenado del molde durante el proceso de colada, la extracción de calor del metal se produce a través de las paredes del molde y de las superficies libres de metal colado.

De este modo, el enfriamiento del metal colado en general se produce desde el exterior hacia el núcleo de la pieza, manteniéndose dicho núcleo a mayor temperatura que su superficie, y apreciándose un importante gradiente de temperatura desde la superficie hasta el núcleo.

Este acusado gradiente de temperatura, a temperaturas en las cuales elementos intersticiales tales como el hidrógeno aún presentan una movilidad alta, produce un flujo de dichos elementos hacia el interior de la pieza colada, debido a su mayor temperatura y mayor capacidad de disolver dichos elementos respecto a las regiones adyacentes que se hayan a menor temperatura.

Dicho flujo tiende a concentrar el contenido total del elemento intersticial en cuestión en las regiones del núcleo de la pieza colada. La presencia de hidrógeno en las aleaciones, especialmente en aceros, es debida a diversas razones, desde la presencia de humedad en las materias primas o equipos o la descomposición de compuestos presentes en los mismos, así como a actuaciones durante el mismo proceso de fundición y afinado de la aleación, por ejemplo en las que se lleva a cabo un soplado de hidrógeno a través del baño de metal fundido con el fin de eliminar otros elementos del mismo, con la consecuencia final de que una parte del hidrógeno utilizado queda disuelto en el baño.

Debido a este efecto perjudicial del hidrógeno en las propiedades mecánicas de las piezas producidas tradicionalmente se han utilizado diferentes sistemas para su eliminación.

Estos sistemas pueden dividirse en dos familias, mediante adiciones durante el proceso de afinado o sometiendo el baño a una presión reducida.

El primer sistema consiste en la adición al baño fundido de elementos que se combinan con el hidrógeno, formando compuestos insolubles en el baño que puedan ser eliminados.

El segundo sistema consiste en someter el baño a una atmósfera de presión reducida respecto a la presión atmosférica, ya que la solubilidad del hidrógeno en el baño es función de la presión.

Este segundo sistema produce una mejor tasa de eliminación del hidrógeno del baño, aunque a costa de un aumento muy importante de la inversión necesaria en el equipo. Por su parte, el primer sistema supone inversiones mucho más reducidas, pero también supone una tasa de reducción de hidrógeno en el baño más baja, de manera que es mucho menos efectivo. Además, este primer sistema tiene el problema añadido que supone la modificación de la composición del baño y, por lo tanto, de la aleación.

Por lo tanto, es evidente la necesidad de un procedimiento de reducción de elementos intersticiales, en particular de hidrógeno, en piezas de colada que no modifique la composición de la aleación, con excepción de los elementos intersticiales y, además, no requiera una inversión tan importantes como en el caso de los sistemas de afinado y colada en vacío.

Descripción de la invención

Con el procedimiento y el molde de la invención se consiguen resolver los inconvenientes citados, presentando otras ventajas que se describirán.

Según un primer aspecto, el procedimiento de reducción de elementos intersticiales en colada de aleaciones de la presente invención comprende las etapas de:

- inyectar dicha aleación en un molde para la formación de una pieza;

- dejar enfriar dicha aleación;

y se caracteriza por el hecho de que se calienta por lo menos una zona del contorno de dicho molde, de manera que se provoca el flujo de los elementos intersticiales hacia dicha por lo menos una zona del contorno.

Gracias a esta característica, se consigue un procedimiento en el que la mayoría de los elementos intersticiales quedan concentrados en una o varias zonas en la parte externa de la pieza de aleación. Así estas zonas se pueden eliminar fácilmente mediante tratamiento térmico y/o mecanizado superficial de la pieza.

Ventajosamente, por lo menos una zona del contorno se calienta antes de que la aleación se enfríe a una temperatura suficiente para la formación de compuestos fragilizantes.

Según diferentes realizaciones preferidas, dicha por lo menos una zona del contorno se calienta a una temperatura comprendida entre 900ºC y la temperatura de fusión de la aleación colada.

Dicho calentamiento de la o cada zona del contorno se mantiene ventajosamente hasta que cualquier punto de la pieza, diferente que dichas zonas del contorno, está a una temperatura inferior a 500ºC.

Según diferentes realizaciones preferidas, dichos elementos intersticiales son hidrógeno, carbono, nitrógeno, boro, argón u otros elementos intersticiales o elementos que presentan difusividad en la matriz de la aleación, y dicha aleación es una aleación de acero, hierro, cobre, níquel, titanio, cobalto, cromo u otras con puntos de fusión superiores a 900ºC.

Según un segundo aspecto, el molde para la reducción de elementos intersticiales en colada de aleaciones de la presente invención se caracteriza por el hecho de que comprende por lo menos un elemento de calentamiento situado en la periferia de dicho molde.

Según dos realizaciones, dicho o cada elemento de calentamiento es una resistencia eléctrica o una espira de inducción, estando asociado dicho o cada elemento de calentamiento con una sonda de temperatura.

Breve descripción...

1. Procedimiento de reducción de elementos intersticiales en colada de aleaciones, que comprende las etapas de:

- inyectar dicha aleación en un molde para la formación de una pieza;

- dejar enfriar dicha aleación;

caracterizado por el hecho de que se calienta por lo menos una zona del contorno de dicho molde, de manera que se provoca el flujo de los elementos intersticiales hacia dicha por lo menos una zona del contorno.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que dicha por lo menos una zona del contorno se calienta a una temperatura comprendida entre 900ºC y la temperatura de fusión de la aleación colada.

3. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que dicho calentamiento de la o cada zona del contorno se mantiene hasta que cualquier punto de la pieza, diferente de dichas zonas del contorno, está a una temperatura inferior a 500ºC.

4. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que dichos elementos intersticiales son hidrógeno, carbono, nitrógeno, boro, argón.

5. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que dicha aleación es una aleación de acero, hierro, cobre, níquel, titanio, cobalto, cromo u otras con puntos de fusión superiores a 900ºC.

6. Molde (1) para la reducción de elementos intersticiales en colada de aleaciones, caracterizado por el hecho de que comprende por lo menos un elemento de calentamiento (2) situado en la periferia de dicho molde (1).

7. Molde (1) según la reivindicación 6, en el que dicho o cada elemento de calentamiento (2) es una resistencia eléctrica o una espira de inducción.

8. Molde según la reivindicación 6, en el que dicho o cada elemento de calentamiento (2) está asociado con una sonda de temperatura (3).