Escolha de uma atmosfera protetora para o tratamento térmico de aço ferramenta

As quatro principais atmosferas protetoras

As quatro são distinguidas pela quantidade de ar alimentada ao gerador, o que é chamado de fator de ar. O endogás é produzido com a maior deficiência de ar, um fator de ar abaixo de 0,5, e como a reação entre o gás e esse pouco ar absorve calor em vez de liberá-lo, a retorta precisa ser aquecida e um catalisador é usado. O exogás é produzido com um fator de ar entre 0,5 e 0,8, e a combustão libera calor suficiente para se manter. O exogás pobre, produzido com um fator de ar entre 0,8 e 0,99, contém dióxido de carbono e vapor de água suficientes para ser útil apenas para certos tratamentos de metais não ferrosos, e geralmente é purificado para dar o gás de base nitrogênio preparado que a fonte chama de monogás. A amônia dissociada é produzida por um princípio totalmente diferente, pela craqueamento da amônia sobre um catalisador acima de 800 °C, e resulta em 75% de hidrogênio e 25% de nitrogênio.

Composição e ponto de orvalho das quatro principais atmosferas protetoras. A base de nitrogênio preparado e a amônia dissociada são as duas mais secas das quatro, e o endogás contém a maior quantidade de hidrogênio e a maior quantidade de monóxido de carbono. O ponto de orvalho é a temperatura na qual o gás está saturado com vapor de água, então um valor mais baixo significa um gás mais seco.

A coluna do ponto de orvalho é a que mais importa para o aço ferramenta. Um ponto de orvalho de −30 °C, que tanto o nitrogênio preparado quanto a amônia dissociada atingem, é a condição sob a qual um grau de alto cromo pode ser aquecido sem que sua superfície oxide. A faixa do endogás de −15 a +5 °C e a faixa do exogás de −10 a +20 °C são mais úmidas, e isso estabelece o limite de quais graus são seguros para elas.

Para que serve cada atmosfera

Campos de aplicação das quatro principais atmosferas. A lista é da própria fonte e não se restringe ao aço ferramenta. Observe onde a atmosfera é indicada como adequada para aços liga que contêm cromo, alumínio ou silício, e onde é indicada para cementação.

Duas linhas dessa tabela apontam diretamente para o trabalho com aço ferramenta. A atmosfera endotérmica é a indicada para cementação, para recozimento e têmpera, e para sinterização de materiais duros sem descarbonetação, e é a atmosfera com que opera um forno de cementação gasosa. A atmosfera à base de amônia é a indicada para aços liga que contêm cromo, alumínio ou silício, família à qual pertencem a maioria dos aços ferramenta, e é a razão pela qual a amônia dissociada reaparece nas seções abaixo sobre têmpera de aço rápido e sobre têmpera de graus de alto cromo em vácuo.

Quanto custa cada atmosfera e o que ela exige do forno

O custo é dominado por duas coisas, o combustível que o gerador queima e a purificação que o gás necessita antes de ser utilizável. A atmosfera base exotérmica é a mais barata porque a reação paga o próprio calor e o gás precisa de pouco pós-tratamento. A base de nitrogênio e a base endotérmica custam cerca de duas vezes e meia a três vezes mais, e a amônia dissociada várias vezes mais ainda. Os dois valores que merecem atenção no topo da cauda são o hidrogênio purificado e o argônio, ambos uma ordem de magnitude acima de todo o resto e escolhidos pelo que protegem e não pelo preço.

Custos relativos de produção das atmosferas, em libras por metro cúbico normal. Os valores são a base de custo de 1984 da fonte e são reproduzidos para mostrar a classificação entre os gases e não como preços atuais.

As três propriedades abaixo determinam o forno e a provisão de segurança, e são a razão pela qual uma oficina não pode simplesmente escolher o gás mais barato. Um alto risco de explosão significa que o forno, a tubulação e o procedimento de purga têm de ser construídos para isso, e é a razão mais comum pela qual um conversor muda um trabalho de amônia dissociada para uma atmosfera base de nitrogênio. A ameaça de toxicidade acompanha o teor de monóxido de carbono, razão pela qual os gases exotérmico e endotérmico são classificados para isso e as misturas puras de hidrogênio e nitrogênio não são.

Características principais das atmosferas principais. Leia ao longo de uma linha para uma atmosfera e ao longo de uma coluna para uma propriedade. A atmosfera base de nitrogênio é a mais segura das quatro de manusear e a atmosfera endotérmica a mais exigente.

Recozimento brilhante, redutor, sem carepa e com pouca carepa

A fonte classifica todo tratamento de recozimento em atmosfera controlada em quatro classes conforme o quão perfeita a superfície tem de ser, e a classe é o que realmente determina o gás. O recozimento brilhante mantém a peça brilhante após o resfriamento, e como os constituintes oxidantes atuam tanto na etapa de resfriamento quanto na de aquecimento, eles têm de ser mantidos baixos durante todo o ciclo. O recozimento redutor usa uma atmosfera que limpa uma superfície levemente oxidada ou enferrujada, mas não atinge um brilho perfeito e falha em ligas de alto cromo porque o óxido de cromo é muito difícil de reduzir. O recozimento sem carepa permite a formação de cores de revenido, de modo que um gás com algum poder oxidante é aceitável. O recozimento com pouca carepa permite uma leve carepa, e é a classe usada para aquecimento antes do forjamento, onde uma superfície sem carepa não é alcançável na prática depois que a peça sai do forno.

O valor prático das quatro classes é a escada de preços por trás delas. O verdadeiro recozimento brilhante de um grau inoxidável exige amônia dissociada ou hidrogênio, enquanto o recozimento sem carepa da mesma peça é satisfeito por gás exotérmico pobre ou monogás. Nomear a classe antes de nomear o gás geralmente reduz o custo.

Escolha da atmosfera a partir da composição do aço

Onde a escolha é aberta, a fonte dá a regra pelo teor de liga, e o limite é cromo e manganês. Se o teor de cromo, manganês ou tungstênio do aço for inferior a 2 a 2,5%, uma atmosfera exotérmica, endotérmica ou base de nitrogênio é adequada. Se o teor de manganês, e mais particularmente o teor de cromo, exceder 2%, então todo constituinte que contém oxigênio tem de ser removido a um nível muito baixo. Isso significa dióxido de carbono e vapor de água, e também monóxido de carbono, porque até o oxigênio quimicamente ligado pode oxidar ou descarbonetar a superfície. Para esses graus a fonte indica hidrogênio, amônia dissociada ou alto vácuo como as atmosferas adequadas.

Duas restrições adicionais merecem ser levadas para uma cotação. As misturas de hidrogênio e nitrogênio, o grau 75/25 e o grau 80/20, são adequadas apenas onde o aço não é um aço nitretante, de modo que uma atmosfera correta para um aço ferramenta pode nitretar a superfície de outro. E quando o aço é um grau resistente ao calor ou resistente a ácidos de cromo-níquel, usa-se amônia craqueada ou hidrogênio com ponto de orvalho abaixo de −50 °C, que é mais seco do que qualquer uma das quatro atmosferas principais entrega a partir do gerador.

O teor de carbono então divide os aços de baixa liga. Um aço de baixo carbono pode ser processado em exogás desde que o vapor de água seja mantido baixo o suficiente para que os 3 a 10% de dióxido de carbono não causem dano. Um aço de maior teor de carbono deve ser processado em endogás ou monogás, porque esses são os dois que não o descarbonetarão, e um aço cujo carbono e cromo são ambos altos é onde a escolha é efetivamente feita para você.

Onde isso deixa um pedido de aço ferramenta

A ordem da decisão é fixar primeiro a classe de superfície, depois ler o teor de liga no certificado, e então escolher o gás. Um grau de trabalho a frio do grupo D ou A carrega cromo suficiente para que os constituintes portadores de oxigênio tenham de estar fora do gás, o que aponta para nitrogênio preparado, amônia dissociada ou vácuo. Um grau de trabalho a quente ou de aço rápido é o caso que a fonte trata longamente em vácuo e em amônia dissociada. Os aços ferramenta de carbono e de baixa liga são os que podem ser processados nas atmosferas endotérmica e exotérmica mais baratas sem dano.

A prática de forno em torno dessa decisão está em o guia de tratamento térmico de aço ferramenta, e a rota de vácuo com seus próprios dados de pressão e resfriamento está em a página de tratamento térmico a vácuo. O lado de cementação da atmosfera endotérmica é medido em a página de penetração de carbono por cementação gasosa, e o lado da amônia em a página de nitretação de aço ferramenta. A descarbonetação como defeito e quanto material precisa ser removido para eliminá-la está em a página de descarbonetação e remoção de material.

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