Selección de una atmósfera protectora para el tratamiento térmico de acero para herramientas

Las cuatro atmósferas protectoras principales

Las cuatro se distinguen por cuánto aire se alimenta al generador, lo que se denomina factor de aire. El endogas se fabrica con la mayor deficiencia de aire, un factor de aire inferior a 0,5, y como la reacción entre el gas y ese poco aire absorbe calor en lugar de liberarlo, la retorta debe calentarse y se utiliza un catalizador. El exogas se fabrica con un factor de aire entre 0,5 y 0,8, y la combustión libera suficiente calor para mantenerse por sí misma. El exogas pobre, fabricado con un factor de aire entre 0,8 y 0,99, contiene suficiente dióxido de carbono y vapor de agua para ser útil solo en ciertos tratamientos de metales no ferrosos, y normalmente se purifica en su lugar para dar el gas base de nitrógeno preparado que la fuente llama monogas. El amoníaco disociado se fabrica con un principio completamente diferente, mediante el craqueo de amoníaco sobre un catalizador por encima de 800 °C, y resulta en 75% de hidrógeno y 25% de nitrógeno.

Composición y punto de rocío de las cuatro atmósferas protectoras principales. El gas base de nitrógeno preparado y el amoníaco disociado son los dos más secos de los cuatro, y el endogas contiene la mayor cantidad de hidrógeno y de monóxido de carbono. El punto de rocío es la temperatura a la que el gas se satura con vapor de agua, por lo que un valor más bajo significa un gas más seco.

La columna del punto de rocío es la que más importa para el acero para herramientas. Un punto de rocío de −30 °C, que alcanzan tanto el nitrógeno preparado como el amoníaco disociado, es la condición bajo la cual un grado de alto cromo puede calentarse sin que su superficie se oxide. El rango del endogas de −15 a +5 °C y el rango del exogas de −10 a +20 °C son más húmedos, y eso establece el límite de los grados para los que son seguros.

Para qué se usa cada atmósfera

Campos de aplicación de las cuatro atmósferas principales. La lista es propia de la fuente y no se limita al acero para herramientas. Observe dónde se indica que la atmósfera es adecuada para aceros aleados que contienen cromo, aluminio o silicio, y dónde se indica para cementación.

Dos filas de esa tabla apuntan directamente al trabajo con acero para herramientas. La atmósfera endotérmica es la que se indica para cementación, para recocido y temple, y para sinterización de materiales duros sin descarburación, y es la atmósfera con la que funciona un horno de cementación gaseosa. La atmósfera a base de amoníaco es la que se indica para aceros aleados que contienen cromo, aluminio o silicio, que es la familia a la que pertenecen la mayoría de los aceros para herramientas, y es la razón por la que el amoníaco disociado aparece de nuevo en las secciones siguientes sobre temple de acero rápido y sobre temple de grados de alto cromo en vacío.

Lo que cuesta cada atmósfera y lo que exige del horno

El costo está dominado por dos cosas: el combustible que quema el generador y la purificación que necesita el gas antes de ser utilizable. La atmósfera base exotérmica es la más barata porque la reacción paga su propio calor y el gas necesita poco postratamiento. La base de nitrógeno y la base endotérmica cuestan aproximadamente dos veces y media a tres veces más, y el amoníaco disociado varias veces más aún. Las dos cifras que vale la pena notar al final de la cola son el hidrógeno purificado y el argón, ambos un orden de magnitud por encima de todo lo demás y se eligen por lo que protegen más que por su precio.

Costos relativos de producción de las atmósferas, en libras por metro cúbico normal. Las cifras son la base de costo de 1984 de la fuente y se reproducen para mostrar el orden entre los gases más que como precios actuales.

Las tres propiedades siguientes deciden el horno y las medidas de seguridad, y son la razón por la que un taller no puede simplemente elegir el gas más barato. Un alto riesgo de explosión significa que el horno, la tubería y el procedimiento de purga deben construirse para ello, y es la razón más común por la que un convertidor traslada un trabajo de amoníaco disociado a una atmósfera base de nitrógeno. La amenaza de toxicidad sigue el contenido de monóxido de carbono, por lo que los gases exotérmicos y endotérmicos se clasifican por ello y las mezclas puras de hidrógeno y nitrógeno no.

Características principales de las atmósferas principales. Lea a lo largo de una fila para una atmósfera y a lo largo de una columna para una propiedad. La atmósfera base de nitrógeno es la más segura de las cuatro de manejar y la atmósfera endotérmica la más exigente.

Recocido brillante, reductor, sin cascarilla y con poca cascarilla

La fuente clasifica todo tratamiento de recocido en atmósfera controlada en cuatro clases según cuán perfecta debe ser la superficie, y la clase es lo que realmente decide el gas. El recocido brillante mantiene la pieza brillante después del enfriamiento, y como los constituyentes oxidantes actúan durante la etapa de enfriamiento así como durante la etapa de calentamiento, deben mantenerse bajos durante todo el ciclo. El recocido reductor utiliza una atmósfera que limpia una superficie ligeramente oxidada o oxidada, pero no alcanza un brillo perfecto y falla en aleaciones de alto cromo porque el óxido de cromo es muy difícil de reducir. El recocido sin cascarilla permite que se formen colores de revenido, por lo que un gas con cierto poder oxidante es aceptable. El recocido con poca cascarilla permite una ligera cascarilla, y es la clase utilizada para calentar antes de forjar, donde una superficie sin cascarilla no es alcanzable en la práctica una vez que la pieza sale del horno.

El valor práctico de las cuatro clases es la escalera de precios detrás de ellas. El verdadero recocido brillante de un grado inoxidable necesita amoníaco disociado o hidrógeno, mientras que el recocido sin cascarilla de la misma pieza se satisface con gas exotérmico pobre o monogas. Nombrar la clase antes de nombrar el gas generalmente reduce el costo.

Elección de la atmósfera a partir de la composición del acero

Donde la elección está abierta, la fuente da la regla por contenido de aleación, y el umbral es cromo y manganeso. Si el contenido de cromo, manganeso o tungsteno del acero es inferior a 2 a 2,5%, es adecuada una atmósfera base exotérmica, endotérmica o de nitrógeno. Si el contenido de manganeso, y más particularmente el contenido de cromo, supera el 2%, entonces todo constituyente que contenga oxígeno debe eliminarse a un nivel muy bajo. Eso significa dióxido de carbono y vapor de agua, y también monóxido de carbono, porque incluso el oxígeno químicamente combinado puede oxidar o descarburar la superficie. Para esos grados la fuente nombra hidrógeno, amoníaco disociado o alto vacío como las atmósferas adecuadas.

Vale la pena llevar dos restricciones adicionales a una cotización. Las mezclas de hidrógeno y nitrógeno, el grado 75/25 y el grado 80/20, son adecuadas solo donde el acero no es un acero nitrurante, por lo que una atmósfera correcta para un acero para herramientas puede nitrurar la superficie de otro. Y cuando el acero es un grado resistente al calor o resistente a los ácidos de cromo-níquel, se usa amoníaco craqueado o hidrógeno con un punto de rocío inferior a −50 °C, que es más seco que cualquiera de las cuatro atmósferas principales entrega desde el generador.

El contenido de carbono luego divide los aceros de baja aleación. Un acero de bajo carbono puede procesarse en exogas siempre que el vapor de agua se mantenga lo suficientemente bajo como para que el 3 a 10% de dióxido de carbono no cause daño. Un acero de mayor contenido de carbono debe procesarse en endogas o monogas, porque esos son los dos que no lo descarburarán, y un acero cuyo carbono y cromo son ambos altos es donde la elección efectivamente se hace por usted.

Dónde deja esto un pedido de acero para herramientas

El orden de la decisión es fijar primero la clase de superficie, luego leer el contenido de aleación del certificado, luego elegir el gas. Un grado de trabajo en frío del grupo D o A lleva suficiente cromo como para que los constituyentes que contienen oxígeno deban salir del gas, lo que apunta a nitrógeno preparado, amoníaco disociado o vacío. Un grado de trabajo en caliente o de acero rápido es el caso que la fuente trata extensamente en vacío y en amoníaco disociado. Los aceros para herramientas de carbono y de baja aleación son los que pueden procesarse en las atmósferas endotérmicas y exotérmicas más baratas sin daño.

La práctica de horno en torno a esa decisión está en la guía de tratamiento térmico del acero para herramientas, y la ruta de vacío con sus propios datos de presión y enfriamiento está en la página de tratamiento térmico al vacío. El lado de carburación de la atmósfera endotérmica se mide en la página de penetración de carbono por carburación gaseosa, y el lado del amoníaco en la página de nitruración de acero para herramientas. La descarburación como defecto y cuánto material hay que eliminar para corregirla se encuentra en la página de descarburación y eliminación de material.

Fuente: Controlled Atmospheres for Heat Treatment, R. Nemenyi y G. H. J. Bennett, Pergamon Press, 1984.