Tratamiento térmico al vacío del acero para herramientas, parámetros de proceso y programas por grado
Un horno de vacío endurece el acero para herramientas sin la atmósfera que lo oxida o descarburiza, y el propio nivel de vacío se convierte en una variable de proceso, porque los elementos de aleación de un grado de alto cromo se evaporarán si la presión se mantiene demasiado baja mientras la pieza está a temperatura. Las tablas siguientes relacionan el nivel de vacío con la temperatura de calentamiento, dan los factores usados para calcular la permanencia a partir del espesor de sección, comparan los gases de enfriamiento y enumeran los ciclos de vacío publicados para trece grados de acero para herramientas y moldes, desde los aceros para herramientas al carbono y de baja aleación hasta los grados de alta velocidad.
Solo como referencia. Las cifras siguientes son un resumen de referencia de la práctica publicada en manuales chinos, no una especificación de Aobo Steel. Confirme el ciclo contra el certificado del fabricante y el plano aplicable antes de fijar un pedido o una corrida de producción sobre ellos.
Qué aporta el ciclo de vacío a los utillajes
La cámara del horno se mantiene por debajo de una atmósfera, por lo que el único gas que queda alrededor de una pieza caliente es una traza de monóxido de carbono e hidrógeno, ambos reductores en lugar de oxidantes. La pieza sale por tanto con su superficie original, y cualquier óxido ya presente en ella se reduce en lugar de crecer. En un troquel que ha sido rectificado de acabado antes del temple, esto elimina el paso de limpieza que sigue a un baño de sales o a un horno de aire abierto.
Dos efectos adicionales importan en los utillajes. El primero es la distorsión. El calentamiento por radiación es uniforme en toda la carga, y un temple por gas a presión puede dirigir el gas hacia la pieza desde todos los lados, por lo que se cita que un ciclo de vacío produce aproximadamente un setenta por ciento menos de distorsión que un baño de sales en la misma pieza. El segundo es el desgasificado, en el que el hidrógeno y otros gases disueltos salen del acero a temperatura, lo que conviene a bloques de troquel grandes y a piezas que han sido forjadas o soldadas.
El costo del proceso es que la pieza exige un calentamiento más largo. La radiación calienta una carga más lentamente que una atmósfera en circulación a baja temperatura, por lo que una permanencia al vacío dura más que la permanencia en un baño de sales o un horno de aire para la misma sección, y esta es la razón por la que los factores de permanencia de la tabla más abajo se leen por sí solos en lugar de tomarse de un gráfico general. Las piezas templadas en aceite también salen con una ligera capa superficial de austenita residual que una temperatura de revenido normal no eliminará, y un grado de alta aleación o de alta velocidad templado en aceite necesita el revenido más alto para eliminarla.
Horno y gas de enfriamiento
Tres tipos de horno cubren el ciclo. Un horno de recocido al vacío mantiene un alto vacío y utiliza un enfriamiento lento controlado. Un horno de temple al vacío es una cámara de temple por gas o de temple por aceite, y la cámara de gas se prefiere generalmente en utillajes porque la superficie permanece limpia, la distorsión es menor y la cámara no necesita la línea de limpieza de aceite. Un horno de revenido al vacío sigue al temple, porque el revenido en un horno ordinario después de un temple al vacío devuelve la superficie deficiente, la dureza desigual y el subrevenido que el ciclo de vacío fue elegido para evitar, y necesita una instalación de enfriamiento rápido para que un grado sensible a la fragilización por revenido no permanezca en el rango fragilizante.
El gas en la cámara decide la rapidez con que se ejecuta el temple. Los cuatro gases comunes se clasifican a continuación frente al hidrógeno, que transfiere calor más rápido pero se evita porque una fracción volumétrica de hidrógeno superior al cinco por ciento en aire es un riesgo de explosión y el gas cuesta aproximadamente diez veces más que el nitrógeno. El nitrógeno es lo que usan la mayoría de los hornos de vacío chinos, y el temple se ejecuta ya sea a presión positiva o bajo vacío.
| Gas de enfriamiento | Tiempo de enfriamiento relativo |
|---|---|
| Hidrógeno (H2) | 1.0 |
| Helio (He) | 1.2 |
| Nitrógeno (N2) | 1.5 |
| Argón (Ar) | 1.75 |
Fuente, sección 8.2.6, página impresa 477. Tiempo de enfriamiento relativo al hidrógeno, tomado como 1. El manual señala que una mezcla de 60 a 70 por ciento en volumen de helio con 30 a 40 por ciento en volumen de nitrógeno se considera en el extranjero como el mejor compromiso.
Un temple por gas a alta presión de 0.5 a 0.6 MPa templará a fondo una pieza de 80 a 110 mm, lo que cubre la mayoría de los bloques de troquel. El temple a presión positiva con nitrógeno de alta pureza a 0.2 a 0.6 MPa se usa para acero de alta velocidad, y el temple a presión negativa con nitrógeno de alta pureza a 7.9 por diez a la cuarta a 9.3 por diez a la cuarta pascales es la opción más suave. Cuando el temple por gas no es suficientemente rápido y la pieza tiene que ir al aceite, la nota en la fuente es usar primero un temple por gas y terminar en aceite, para que no se forme la capa blanca que el aceite solo dejaría en una pieza de alto cromo o de alta velocidad.
Nivel de vacío frente a temperatura de calentamiento
El nivel de vacío se fija por la temperatura, no por el horno, porque un grado de alto cromo mantenido a baja presión a temperatura perderá cromo de la superficie. Una pieza se carga en frío y la cámara se bombea a 6.67 pascales antes de encender el calor, y por encima de eso se permite que el nivel suba con la temperatura de la carga. El relleno con nitrógeno de alta pureza es la forma habitual de mantener el nivel dentro de la ventana.
| Temperatura de calentamiento, °C | Nivel de vacío, Pa |
|---|---|
| Hasta 900 | ≥ 0.133 |
| Más de 900 a 1100 | 13.3 a 1.33 |
| Más de 1100 a 1300 | 13.3 a 666.0 |
Fuente, Tabla 8-17, página impresa 476. Se permite que el nivel suba a medida que sube la temperatura de la carga, para contener la evaporación de los elementos de aleación.
El precalentamiento sigue la misma lógica de grado. Un ciclo que calienta a 1000 a 1100 grados Celsius usa un precalentamiento a 800 grados Celsius. Por encima de 1200 grados Celsius, una pieza pequeña y simple se precalienta una vez a 850 grados Celsius, y una pieza más grande o más compleja dos veces, la primera a 500 a 600 grados Celsius y la segunda a unos 850 grados Celsius.
Tiempo de permanencia a partir del espesor de sección
La permanencia al vacío se calcula a partir del espesor efectivo de la pieza en lugar de leerse de un gráfico, porque la velocidad de calentamiento depende de la carga y la sección conjuntamente. La forma es un coeficiente aplicado al espesor más una tolerancia de tiempo, y ambos números cambian con el contenido de aleación del grado, ya que un acero para herramientas de alta aleación mantiene su trayectoria de calor a través de los carburos en lugar de a través de la matriz.
| Grupo de acero | Coeficiente de permanencia K, min/mm | Tolerancia de tiempo T, min | Precalentamiento indicado |
|---|---|---|---|
| Acero para herramientas al carbono | 1.9 | 5 a 10 | Un precalentamiento a 560 °C |
| Acero para herramientas de baja aleación | 2.0 | 10 a 20 | Un precalentamiento a 560 °C |
| Acero para herramientas de alta aleación | 0.48 | 20 a 40 | Precalentar a 560 °C y de nuevo a 800 °C |
| Acero para herramientas de corte rápido | 0.33 | 15 a 25 | Precalentar a 560 °C y de nuevo a 850 °C |
Fuente, Tabla 8-18, página impresa 477. Tiempo de permanencia C = K D + T, donde C es la permanencia en minutos, K el coeficiente anterior, D el espesor efectivo de la pieza en milímetros y T la tolerancia en minutos. Las tablas preparadas difieren de una tabla general de permanencia y la reemplazan para un ciclo de vacío.
La misma fuente sitúa la permanencia del temple al vacío en cinco a seis veces la permanencia en baño de sales y el doble de la permanencia en horno de aire sobre la misma pieza. Un revenido al vacío dura ligeramente más que un revenido en horno de aire y una a dos veces más que un revenido en sales de nitro, y un recocido al vacío dura aproximadamente el doble que un recocido en horno de aire.
Programas de tratamiento térmico al vacío por grado
La tabla de programas a continuación es el ciclo publicado para trece grados de acero para moldes y herramientas. La columna de precalentamiento combina un precalentamiento de dos etapas en una celda donde la fuente da uno, y las dos cifras en una celda son el primer y el segundo precalentamiento. El nivel de vacío en el temple desciende de 0,1 pascales en los grados de baja aleación a 10 a 1 pascales en los grados que van a aceite o a un temple con gas presurizado, porque la presión en la pieza debe ser lo suficientemente alta para transferir calor una vez que comienza el temple. Donde un grado lleva dos filas de revenido, la segunda es el revenido de endurecimiento secundario utilizado para grados de corte rápido y de alto cromo.
| Grado | Precalentamiento, °C | Vacío de precalentamiento, Pa | Austenización, °C | Vacío de temple, Pa | Enfriamiento | Revenido, °C | Dureza, HRC |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 9SiCr | 500 a 600 | 0.1 | 850 a 870 | 0.1 | Aceite, por encima de 40 °C | 170 a 190 | 61 a 63 |
| CrWMn | 500 a 600 | 0.1 | 820 a 840 | 0.1 | Aceite, por encima de 40 °C | 170 a 185 | 62 a 63 |
| 9Mn2V | 500 a 600 | 0.1 | 780 a 820 | 0.1 | Aceite | 180 a 200 | 60 a 62 |
| 5CrNiMo | 500 a 600 | 0.1 | 840 a 860 | 0.1 | Aceite o N de alta pureza2 | 480 a 500 | 39 a 44 |
| Cr6WV | 500 a 550, luego 800 a 850 | 0.1 | 970 a 1000 | 10 a 1 | Aceite o N de alta pureza2 | 160 a 200 | 60 a 62 |
| 3Cr2W8V | 480 a 520, luego 800 a 850 | 0.1 | 1050 a 1100 | 10 a 1 | Aceite o N de alta pureza2 | 560 a 580, 600 a 640 | 42 a 47, 39 a 44 |
| 4Cr5W2VSi | 480 a 520, luego 800 a 850 | 0.1 | 1050 a 1100 | 10 a 1 | Aceite o N de alta pureza2 | 600 a 650 | 38 a 44 |
| 7CrSiMnMoV | 500 a 600 | 0.1 | 880 a 900 | 0.1 | Aceite o N de alta pureza2 | 450, 200 | 52 a 54, 60 a 62 |
| 4Cr5MoSiV1 | 500 a 550, luego 800 a 820 | 0.1 | 1020 a 1050 | 10 a 1 | Aceite o N de alta pureza2 | 560 a 620 | 45 a 50 |
| Cr12 | 500 a 550 | 0.1 | 960 a 980 | 10 a 1 | Aceite o N de alta pureza2 | 180 a 240 | 60 a 64 |
| Cr12MoV | 500 a 550, luego 800 a 850 | 0.1 | 980 a 1050, 1080 a 1120 | 10 a 1 | Aceite o N de alta pureza2 | 180 a 240, 500 a 540 | 60 a 64, 58 a 60 |
| W6Mo5Cr4V2 | 500 a 600, luego 800 a 850 | 0.1 | 1100 a 1150, 1150 a 1250 | 10 | Aceite o N de alta pureza2 | 200 a 300, 540 a 600 | 58 a 62, 62 a 66 |
| W18Cr4V | 500 a 600, luego 800 a 850 | 0.1 | 1000 a 1100, 1240 a 1300 | 10 | Aceite o N de alta pureza2 | 180 a 220, 540 a 600 | 58 a 62, 62 a 66 |
Fuente, Tabla 8-19, página impresa 478. Leído de la imagen de la página a 300 dpi. Una celda con dos valores lleva el primer y el segundo precalentamiento, o las dos temperaturas de austenización, o las dos temperaturas de revenido, en el orden en que la fuente las da. Los niveles de vacío por debajo de 1 Pa son una presión manométrica dentro de la cámara, y 10 a 1 Pa es el nivel de trabajo utilizado una vez que comienza el temple.
Lectura de los ciclos en conjunto
Tres patrones recorren la tabla. El nivel de vacío durante el temple sigue al medio de enfriamiento, no al grado, por lo que todo grado que puede ir a aceite o a nitrógeno de alta pureza se opera a 10 a 1 pascales, mientras que los grados templados solo en aceite mantienen 0,1 pascales. El número de precalentamientos sigue a la temperatura de austenización. Un grado operado a 900 grados Celsius o menos lleva un precalentamiento, y todo lo operado por encima de 1000 grados Celsius lleva dos, uno en el rango bajo para uniformar el bloque y uno justo por debajo del rango de austenización para mantener unida la sección.
Las filas de revenido separan las dos familias de acero para herramientas. Los grados de trabajo en frío y de moldes se revenido una vez para dureza, y los grados que contienen tungsteno o un gran contenido de cromo llevan un segundo revenido en la banda de 500 a 640 grados Celsius que produce el pico de endurecimiento secundario. Los dos grados de alta velocidad son el caso más claro, donde el primer revenido a 180 a 300 grados Celsius es un alivio de tensiones más que un revenido de dureza y el segundo a 540 a 600 grados Celsius es el que fija la dureza final.
Un ciclo de vacío no es la respuesta para todos los grados. Donde el temple por gas no puede alcanzar la dureza que la sección necesita, es mejor pasar la pieza a un grado diseñado para un temple más lento, como D2 o H13, que empujarlo a aceite y arriesgarlo a agrietarse. Donde se desea el mismo ciclo en una sección más pequeña, los grados de temple en aceite como O1 y W1 alcanzan su dureza en un baño que una cámara de vacío no puede igualar en velocidad.
Datos de referencia relacionados
El lado del horno y del baño de la misma decisión, incluidos las mezclas de sales y sus rangos de trabajo, está en la página de hornos de temple y baños de sales. Los tiempos de permanencia para un ciclo convencional en atmósfera están en la Tabla de tiempos de permanencia para acero para herramientas, y los ciclos completos de temple y revenido por grado están en la guía de tratamiento térmico del acero para herramientas. Donde un ciclo de vacío va seguido de una permanencia bajo cero, los medios y las temperaturas están en la página de tratamiento criogénico del acero para herramientas.
Notas sobre los datos
La tabla de ciclos es el ciclo de referencia publicado de un manual chino de acero para moldes y herramientas, y los números de página son los números de página impresos de ese manual y no los números de muestra de este sitio. Los nombres de los grados son las designaciones chinas GB, por lo que 4Cr5MoSiV1 es la familia H13, Cr12MoV es la familia D2 y W6Mo5Cr4V2 es la familia M2, y los equivalentes se exponen en las páginas de grados en lugar de asumirse aquí. Los niveles de vacío son lecturas manométricas de la cámara, y la propia curva de bombeo y tasa de fuga de un horno desplazarán la cifra práctica. Los coeficientes de permanencia están emparejados con la práctica de precalentamiento de un fabricante, por lo que un operador que use un número de precalentamientos diferente debe tomar el coeficiente y dejar la tolerancia.
Recopilado de un manual chino de tratamiento térmico de acero para moldes y herramientas, sección 8.2.6 y Tablas 8-17 a 8-19, páginas impresas 476 a 478. La Tabla 8-19 se leyó de la imagen de la página a 300 dpi y el resto de la capa de texto de la misma impresión. Las tablas son un resumen de referencia de la práctica publicada y no una especificación de Aobo Steel, por lo que confirme el ciclo contra el certificado del acero y el plano aplicable antes de realizar un pedido basado en él.