Baja temperatura hornos de vacío desempeñan un papel fundamental en las operaciones modernas de tratamiento térmico, ya que respaldan procesos que requieren un control térmico preciso, repetibilidad y protección de las propiedades de los materiales. Desde el recocido y el revenido hasta el procesamiento de aluminio y aleaciones especiales, estos sistemas suelen ser esenciales tanto para el rendimiento metalúrgico como para la eficiencia de la producción.
¿Qué es un horno de vacío de baja temperatura?
Los hornos de vacío de baja temperatura funcionan principalmente entre 500 °F* y 1700 °F.** Desde el diseño de la zona caliente y los materiales hasta la termopares que utilizan, estos hornos se han optimizado para lograr una eficiencia dentro de ese rango.
En los hornos de vacío con temperaturas de funcionamiento más elevadas, los materiales utilizados dentro de la zona caliente están restringidos a aquellos con durabilidad a altas temperaturas, como el grafito o el molibdeno (“moly”). Son necesarios para soportar cargas térmicas superiores a 2000 °F durante largos periodos de tiempo.
Los hornos de vacío de baja temperatura suelen disponer de una gama más amplia de materiales de menor coste que pueden utilizarse dentro de sus zonas calientes. Por ejemplo, a temperaturas más bajas se necesita menos aislamiento. También pueden utilizarse cerámicas, acero inoxidable y aleaciones Inconel para determinadas aplicaciones dentro de la zona caliente, lo que proporciona durabilidad y longevidad dentro del horno a un coste mucho menor que el molibdeno o el grafito. Los hornos de baja temperatura también están optimizados para la controlabilidad dentro de sus rangos de funcionamiento específicos. La uniformidad de la temperatura requiere más sensibilidad de los sistemas de control dentro de tolerancias a veces muy estrictas. La adición de sistemas de convección también puede tener un impacto significativo en la eficiencia de determinados procesos.
*Para el envejecimiento del aluminio pueden utilizarse hornos de vacío de muy baja temperatura diseñados para ser precisos a menos de 500 °F.
** Los hornos de revenido que funcionan entre 1400 °F y 1700 °F se denominan a veces “Hornos de revenido de alta temperatura”
Aunque el proceso de templado puede no requerir elevar la temperatura interna por encima de 1400 °F, las temperaturas más altas de estos hornos se utilizan para ejecutar ciclos de quemado, ayudando a los clientes a cumplir los requisitos de limpieza de la cámara.
Los hornos de templado a alta temperatura también pueden requerir accesorios de grafito o molibdeno.
¿Qué procesos utilizan hornos de vacío de baja temperatura?
Los hornos de vacío de baja temperatura realizan dos operaciones principales: reducir la dureza del acero y otros productos ferrosos aleados, y procesar aluminio y otros metales con puntos de fusión más bajos.
Recocido, templado y envejecimiento
La reducción de la dureza con hornos de vacío de baja temperatura suele adoptar la forma de Recalentamiento, Templado, o Envejecimiento.
Recalentamiento es un proceso de tratamiento térmico que altera las propiedades físicas (y a veces químicas) de un material, reduciendo su dureza y aumentando su ductilidad. El recocido eleva la temperatura del material hasta que su estructura interna de granos cristalinos empieza a realinearse, y luego se enfría lentamente hasta que el material vuelve a la temperatura ambiente. Esto alivia las tensiones internas.
Los metales y aleaciones que han sido recocidos suelen ser palanquillas o piezas en bruto que luego se envían a conformar o mecanizar. El recocido permite dar forma a las piezas con herramientas sin provocar un desgaste excesivo de las mismas. La ductilidad añadida permite perforar y estirar el material en fresadoras, tornos, prensas y frenos.
Templado es similar al recocido en que ambos procesos están diseñados para relajar la estructura de grano dentro de una aleación endurecida, pero el objetivo del revenido es diferente al del recocido. Los procesos de revenido están diseñados para conservar la mayor parte de la dureza del material, pero aliviando las tensiones internas lo suficiente como para que las piezas pierdan su fragilidad, ganando durabilidad para su uso a largo plazo.
Las piezas que se someten a revenido suelen proceder directamente de un proceso de temple, tras haber experimentado un proceso de enfriamiento rápido. El proceso de templado es muy similar: las piezas se calientan a una temperatura subcrítica inferior a la de fusión y se enfrían durante un periodo de tiempo específico a una velocidad controlada.
El revenido suele ser uno de los últimos procesos de tratamiento térmico a los que se somete una pieza antes de su puesta en servicio. Desde llaves inglesas a cigüeñales, pasando por vigas estructurales o trenes de aterrizaje, es probable que se encuentre a diario con herramientas y componentes templados.
Envejecimiento, a veces denominado endurecimiento por precipitación o endurecimiento por envejecimiento, es un proceso específico del aluminio que endurece el metal equilibrando las moléculas de cobre, silicio y magnesio entre las redes cristalinas. Esto añade estabilidad estructural al material al crear obstáculos al movimiento dentro de la estructura cristalina. El tratamiento térmico acelera un proceso que suele durar años.
Las aleaciones de aluminio comunes que experimentan envejecimiento en vacío a baja temperatura incluyen las series 2xxx, 6xxx y 7xxx. Se pueden encontrar en accesorios de aeronaves, engranajes y ejes, válvulas reguladoras y otras aplicaciones de transporte. Son deseadas por su resistencia específica y su peso ligero.
El templado del aluminio utiliza temperaturas muy bajas en hornos de vacío. Requiere una mayor precisión en el control de la temperatura y uniformidad a esas temperaturas debido a los menores niveles de radiación térmica emitida por los elementos calefactores en este rango de temperaturas.
Aluminio, superaleaciones y otros procesos a baja temperatura
El acero tiene un punto de fusión entre 2500 °F y 2800 °F, mientras que el aluminio funde aproximadamente a 1221 °F.
La aleación del aluminio puede reducir aún más este punto de fusión mediante química eutéctica. Las operaciones de soldadura fuerte se basan en aleaciones eutécticas para hacer fluir el material de soldadura líquida en las piezas.
La demanda de aluminio y otros materiales ligeros ha impulsado la fabricación de metales y aleaciones con puntos de fusión más bajos hasta niveles sin precedentes. Los chasis de los vehículos eléctricos se construyen cada vez más con aluminio endurecido, mientras que los nuevos sistemas de baterías incorporan metales de tierras raras.
Por su parte, las superaleaciones -aleaciones monocristalinas resistentes al calor que son materiales a base de níquel, cobalto y hierro, como Inconel, Hastelloy y H13- suelen requerir una precisión de tratamiento térmico específica del sector. Estos materiales se utilizan en productos que van desde las aspas de los ventiladores de los aviones hasta dispositivos médicos como los marcapasos.
Las superaleaciones pueden contener hasta cinco materiales de aleación diferentes. Las altas temperaturas y los vacíos profundos pueden hacer que la superficie de estos materiales se sublime, creando una superficie que ya no tiene las mismas cualidades metalúrgicas que el núcleo. El tratamiento en horno a baja temperatura puede preservar estas propiedades químicas y metalúrgicas.
Los hornos de vacío de baja temperatura pueden ajustarse para optimizar la metalurgia única de estos materiales con mayor precisión que los hornos diseñados para funcionar a temperaturas más altas. Los hornos de vacío son especialmente útiles para materiales que se oxidan con facilidad, como el aluminio. Mantener el oxígeno fuera del entorno del proceso de tratamiento térmico garantiza que los materiales conserven sus propiedades deseables sin que se produzcan infiltraciones de oxígeno no deseadas.
Otros procesos habituales en este tipo de hornos son soldadura fuerte de aluminio, deposición de iones en fase vapor y tratamiento térmico de materiales de paredes finas, como radiadores, disipadores de calor, sistemas de intercambio térmico y fabricación de tuberías de paredes finas.
¿Por qué son útiles los hornos de vacío de baja temperatura en las células de tratamiento térmico?
Cualquiera que fabrique o procese materiales con puntos de fusión bajos debe operar con hornos de vacío de baja temperatura por necesidad. Las empresas que procesan exclusivamente estos materiales realizarán la mayor parte, si no la totalidad, de su procesamiento térmico en hornos optimizados y dedicados a sus requisitos térmicos específicos. Las células de soldadura fuerte de aluminio pueden estar realizando ciclos de piezas con la misma receta las veinticuatro horas del día.
Los hornos de recocido también son habituales en instalaciones que procesan materias primas o aleaciones puras, sobre todo si son prudentes a la hora de mantener las cualidades metalúrgicas de los materiales que fabrican. El recocido se convierte en el punto de partida del proceso de fabricación, el primer paso de una serie de operaciones para transformar barras de material en piezas utilizables.
¿Cómo puede mejorar el rendimiento y reducir los costes añadir hornos de revenido a baja temperatura a una línea de producción de temple?
Para tratadores térmicos que endurecimiento recetas en un horno de vacío, los hornos de templado dedicados pueden tener un impacto significativo en los resultados de la empresa.
Hornos de temple son caros de operar. La combinación de altas temperaturas y alta presión de temple exige un gran consumo de energía y sistemas de refrigeración por agua. Además, los hornos de temple están preparados para funcionar óptimamente a temperaturas iguales o superiores a 1000 °F.
Los hornos de temple también pueden tener capacidades adicionales de presión parcial y otras características especiales que otros procesos y recetas no requieren. Los costes adicionales causados por el desgaste de sus componentes de la zona caliente y otros consumibles también se tienen en cuenta en los cálculos de los costes operativos generales cuando se consideran los ciclos de revenido en un horno de temple.
Los hornos de templado son también el lugar donde las empresas pueden rentabilizar al máximo su inversión. El templado de precisión, sobre todo en sectores como el aeroespacial y el médico, es el motor comercial que impulsa departamentos enteros de tratamiento térmico.
Aunque los hornos de temple suelen ser capaces de ejecutar ciclos de revenido, hacerlo rara vez tiene sentido desde el punto de vista económico. El funcionamiento prolongado por debajo de los rangos óptimos de temperatura y los largos ciclos de enfriamiento inutilizan los equipos diseñados para el procesamiento a alta temperatura.
En cambio, los hornos de templado pueden funcionar constantemente, a menudo durante años, con unos costes de mantenimiento mínimos. Sus temperaturas más bajas y sus sistemas de temple más sencillos hacen que su funcionamiento sea más eficiente. Y debido a que el ritmo de enfriamiento es más lento durante un ciclo de revenido, dos o tres hornos de revenido a menudo pueden mantener un horno de temple funcionando las 24 horas del día, si se dispone de suficiente material para procesar.
Baja temperatura, alta demanda
Los hornos de vacío de baja temperatura permiten a los usuarios ajustar sus equipos a sus demandas de producción. Ipsen ofrece soluciones de hornos de vacío de baja temperatura para clientes cuyas aplicaciones se benefician de un funcionamiento optimizado por debajo de 1700 °F, especialmente en entornos de templado, recocido y procesamiento de metales no ferrosos.
Mientras que los hornos dedicados de baja temperatura pueden proporcionar ventajas de eficiencia en aplicaciones de gran volumen o altamente especializadas, muchas operaciones de tratamiento térmico requieren flexibilidad a través de múltiples procesos. Ipsen diseña sistemas de hornos de vacío para ayudar a los clientes a equilibrar el rendimiento, el coste operativo y la versatilidad del proceso en función de sus demandas de producción.