Tratamiento criogénico del acero para herramientas
El tratamiento criogénico enfría el acero para herramientas hasta entre -109°F (-79°C) y -320°F (-196°C) después del temple, para completar la transformación de la austenita retenida en martensita. Las tablas de esta página dan las temperaturas, los tiempos de permanencia y el revenido posterior, tomados del capítulo de criogenia de la fuente. Este es un resumen de referencia de la práctica publicada y no una especificación de Aobo Steel.
Qué hace el tratamiento en frío al acero para herramientas
El temple rara vez termina el trabajo. La fuente sitúa un buen tratamiento térmico en 95% a 96% de transformación de austenita en martensita cuando la receta se sigue exactamente, el tiempo es correcto en cada etapa y el horno está calibrado. En piezas tratadas en masa el número es mucho menor, y la fuente encontró 50% a 60% en brocas y hojas de sierra tratadas comercialmente.
La austenita que queda sigue transformándose durante un período largo, pero muy lentamente, por lo que la pieza sigue cambiando en estructura y en tamaño mientras está en servicio. Por eso la fuente dirige los calibres de control de calidad a través de un proceso criogénico. Un calibre que todavía se mueve no puede mantener una tolerancia.
El tratamiento en frío es el único método que la fuente conoce que se acerca a la transformación completa, con 99,8% a 100% de martensita. El hielo seco alcanza hasta 97% cuando la permanencia es suficientemente larga. La ganancia entre los dos es pequeña en términos porcentuales y la fuente aún la llama significativa para la resistencia al desgaste en muchas herramientas.
Las tres rutas y los números para cada una
Hay tres rutas prácticas, y la fuente indica los números para cada una de ellas. Las empresas comerciales tratan herramientas como servicio, en un lote suficientemente grande para llenar el congelador, y los cargos típicos van de $1 a $9 por libra con un mínimo de $50 a $100. Un procesador que trabaja solo con gas seco alcanzará -260 a -300°F (-162 a -184°C), que la fuente llama la temperatura mínima para que el cambio ocurra en absoluto.
La ruta que alcanza la temperatura más fría introduce nitrógeno líquido solo después de que la carga ha bajado lentamente con gas, por lo que las piezas nunca sufren un choque térmico. El nitrógeno líquido también se puede comprar en un dewar para trabajo interno, pero la fuente es directa en que esto requiere capacitación y equipo construido para el proceso, no un congelador horizontal con un contenedor dentro.
El hielo seco no necesita equipo capital. La fuente describe un cofre de Styrofoam forrado con lámina de plástico, las herramientas en el fondo, queroseno K1 vertido sobre ellas para llevar el frío uniformemente, y una tapa ventilada. El queroseno no se congela a esa temperatura. El cofre debe poder respirar, porque el hielo seco se expande a tres o cuatro veces su volumen al descongelarse.
Rutas de tratamiento criogénico y sus temperaturas y tiempos de permanencia
| Ruta | Temperatura alcanzada | Enfriamiento | Mantener a temperatura | Calentamiento |
|---|---|---|---|---|
| Nitrógeno líquido, primero gas seco y luego líquido | -320°F (-196°C) | 4 a 8 horas | 20 horas mínimo | 20 a 30 horas, sin calor añadido |
| Nitrógeno líquido, líquido introducido al final | -250°F (-157°C) con gas, luego líquido | unas pocas horas solo con gas | 18 a 20 horas cubierto | por sí solo, tapa cerrada |
| Hielo seco en un cofre de Styrofoam | -109°F (-79°C) | no indicado | 8 a 10 horas mínimo, más tiempo es mejor | 6 a 7 horas hasta 2 días |
Fuente, capítulo de criogenia, páginas impresas 108 a 113. Un procesador limitado a gas seco alcanza solo -260 a -300°F (-162 a -184°C), que la fuente llama el mínimo necesario para producir el cambio requerido.
Cuánto de la austenita se transforma
Las dos tablas anteriores están una al lado de la otra por una razón. Lo que la pieza termina teniendo depende de lo que el tratamiento térmico dejó atrás, y la fuente es cuidadosa en decirlo. Las herramientas que fueron mal tratadas térmicamente cuando se fabricaron tienen más que ganar con una permanencia en frío, porque comienzan con la mayor cantidad de austenita retenida.
Transformación de austenita a martensita por condición
| Condición | Martensita después del tratamiento | Lo que dice la fuente |
|---|---|---|
| Buena práctica, receta seguida, equipo calibrado | 95% a 96% | lo máximo que normalmente entrega un tratamiento térmico directo |
| Piezas tratadas térmicamente en masa, brocas y hojas de sierra como ejemplo | 50% a 60% | lo que la fuente encontró en piezas tratadas comercialmente |
| Hielo seco, permanecido el tiempo suficiente | hasta 97% | determinado por cuánta austenita retenida queda después del revenido |
| Nitrógeno líquido, seco o húmedo, carga empacada correctamente | 99,8% a 100% | la única ruta que se acerca a la transformación completa |
Fuente, capítulo de Criogenia, páginas impresas 107 y 113.
(a) La fuente añade que las cifras de 97% y de 99,8% a 100% suponen ambas un tratamiento térmico correcto que por sí mismo produjo 75% a 80% de martensita.
Revenido después del tratamiento en frío
El revenido después del tratamiento en frío no es opcional. Las piezas deben estar primero de nuevo a temperatura ambiente y luego mantenerse a 300°F (150°C) durante 2 horas por pulgada de espesor. Si se conoce la temperatura de revenido utilizada antes en el proceso, ir 25°F (14°C) por debajo de ella da un mejor resultado, y aún así no puede ablandar la pieza por debajo de la dureza prevista.
La fuente informa que no todos los procesadores comerciales realizan este revenido, y sugiere una comprobación sencilla. Si hay alguna duda, las herramientas se pueden poner en un horno de taller a 300°F, que está por debajo de cualquier temperatura de revenido prescrita para el acero para herramientas y por lo tanto no puede cambiar la dureza ya establecida.
Requisitos de revenido posteriores al tratamiento criogénico
| Paso | Requisito | Por qué es importante |
|---|---|---|
| Temperatura de revenido | 300°F (150°C), o 25°F (14°C) por debajo de la temperatura de revenido utilizada originalmente | 300°F está por debajo de cualquier temperatura de revenido prescrita, por lo que no puede cambiar la dureza del revenido |
| Tiempo de revenido | 2 horas por pulgada de espesor | la fuente repite la tasa de 2 horas por pulgada en cada etapa del proceso |
| Cuándo comienza | después de que las piezas vuelven a temperatura ambiente | estabiliza la martensita formada durante la permanencia en frío |
| Qué confirmar con el procesador | que el revenido se realiza realmente | la fuente informa que algunos procesadores comerciales lo omiten |
Fuente, capítulo de Criogenia, páginas impresas 109, 111 y 112.
El efecto de película fina en herramientas recién tratadas
Una herramienta recién tratada suele desgastarse un poco mejor y nada parecido a como debería. La razón es una capa superficial de menos de 0,001 in (0,0254 mm) que se mantiene cerca del desgaste del acero sin tratar. El rectificado elimina esa capa y el desgaste mejorado aparece detrás de ella.
La secuencia práctica que se deriva es la que la fuente recomienda para un primer ensayo. Envíe herramientas que ya estén desafiladas para el tratamiento y luego afílelas cuando regresen. El afilado no tiene efecto sobre el proceso, porque el tratamiento atraviesa toda la sección en lugar de asentarse en la superficie como lo hace un recubrimiento. Tampoco hace que la herramienta sea más frágil.
Seguridad en la manipulación de nitrógeno líquido y hielo seco
Tanto el nitrógeno líquido como el hielo seco requieren cuidado. Un recipiente sellado de cualquiera de los dos se romperá a medida que el gas se expanda, por lo que la cámara debe estar ventilada. El nitrógeno líquido desplaza el aire, por lo que la zona debe estar bien ventilada para evitar la asfixia. Las piezas congeladas son lo suficientemente frágiles como para fallar catastróficamente por choque térmico y no deben sacarse de la cámara antes de tiempo, y dejar entrar aire en una cámara fría trae condensación y óxidos a las piezas.
Antes de tratar térmicamente
El acero para herramientas se suministra en condición recocida, que se describe en la condición recocida del acero para herramientas página, y el tratamiento que precede a una permanencia en frío está en la guía de tratamiento térmico del acero para herramientas, la tabla de temple y revenido del acero para herramientas y la Tabla de revenido del acero para herramientas. El cambio de tamaño en la etapa de temple se trata en la Cambio dimensional del acero para herramientas en el tratamiento térmico página, y el trabajo de calibres en el acero para herramientas para calibres y herramientas de precisión página. Los grados que se envían con mayor frecuencia para tratamiento en frío se encuentran en la acero para herramientas D2, acero para herramientas H13, acero para herramientas M2 y acero para herramientas O1 páginas.
Datos de referencia recopilados del capítulo de Criogenia de Heat Treatment, Selection, and Application of Tool Steels (William E. Bryson, 2.ª edición, Hanser), páginas impresas 107 a 113, con las cifras de austenita retenida también utilizadas en el capítulo de CPM 10V, página impresa 105.