Los hornos de vacío, diseñados para bombear los gases atmosféricos al inicio de un proceso de tratamiento térmico, al tiempo que son capaces de introducir gases de proceso para alcanzar presiones subatmosféricas específicas, son excelentes para controlar la cantidad, la fuente y la calidad del gas dentro del recipiente del horno en cualquier momento durante un proceso.
La introducción de gases inertes durante el proceso de enfriamiento es una técnica ampliamente reconocida para controlar la velocidad y los resultados del enfriamiento. Además, la adición de gases de proceso específicos a medida que aumenta la temperatura de la cámara puede ofrecer más ventajas y mejorar los resultados en diversas aplicaciones de tratamiento térmico.
La primera acción en un proceso de horno de vacío es eliminar el aire atmosférico de la cámara de presión. El calentamiento de las piezas metálicas las hace excepcionalmente receptivas a las reacciones con elementos que suelen encontrarse en los gases atmosféricos (como el vapor de agua o el oxígeno), por lo que la eliminación de los gases atmosféricos limita considerablemente las reacciones no deseadas. Sin embargo, la introducción intencionada de gases de proceso puede crear reacciones o condiciones deseables como parte del proceso.
La posibilidad de rellenar con un gas de proceso durante la rampa de producción puede suponer importantes ventajas. Algunas operaciones pueden querer introducir un volumen muy bajo de gas (.01 Torr a 10 Torr) para ayudar a eliminar los óxidos mediante el uso de hidrógeno, para añadir un elemento como el carbono con fines de cementación, o para añadir un gas inerte con el fin de limitar la sublimación de cromo durante un proceso de alta temperatura con acero. Otras recetas pueden querer introducir una cantidad suficiente de gas de proceso (1 Atm o más) para permitir el calentamiento por convección mediante el funcionamiento de un ventilador interno con el fin de calentar uniformemente las piezas que tienen geometrías complejas o grandes secciones transversales.
Un diseño de horno que incluye dos puertos para gas a presión parcial, regulados por sensores de flujo másico.
Aquí vemos un manómetro regulador que se conecta a un sensor de flujo másico, regulado además por una válvula de bloqueo y una válvula de mariposa manual de presión parcial para maximizar el control sobre el gas que fluye en el sistema.
Presión parcial: mantenimiento del control de la reacción a una presión cercana al vacío
Los procesos de presión parcial son recetas que introducen un flujo muy bajo de gas de proceso en el horno después de que éste haya sido bombeado hacia abajo, lo que puede crear o controlar reacciones a medida que aumentan las temperaturas. Los gases de proceso pueden ir desde gases inertes, como el argón o el nitrógeno, hasta gases reactivos, como el hidrógeno o el acetileno.
Un proceso de tratamiento térmico a presión parcial puede utilizarse como purga para garantizar que la mayoría de los átomos y moléculas restantes que se encuentran en los gases atmosféricos se expulsan del horno mediante la adición de un gas inerte. Los gases inertes como el argón, cuando se añaden al recipiente durante la rampa de subida, pueden apartar los átomos o moléculas más pequeños como el hidrógeno, el oxígeno y el nitrógeno, obligándoles a encontrar rápidamente las salidas cuando el sistema evacua el horno por segunda vez.
El gas inerte también puede ayudar a ralentizar el proceso de sublimación de elementos como el cromo, que tiende a evaporarse a altas temperaturas y presiones extremadamente bajas. Incluso la más mínima presión de un gas inerte puede ayudar a evitar el deterioro de los productos de acero al cromo.
Algunos aceros son especialmente susceptibles a la oxidación e incluso pueden haber acumulado óxidos en su superficie antes del tratamiento térmico. La introducción de hidrógeno* en el proceso de tratamiento térmico a temperaturas específicas puede favorecer que ciertos óxidos metálicos reaccionen con el hidrógeno dentro de la cámara, reduciendo así su aparición.
En los procesos de transformación, como el carburizado a baja presión AvaC, por ejemplo, la adición de un gas de proceso como el acetileno a baja presión puede ayudar a obtener una solución de cementación en caja que cumpla requisitos específicos. Esto puede ser especialmente eficaz en piezas con microgeometrías muy complejas: fabricación de metal en polvo, por ejemplo.
Además de estos procesos, los sistemas de gas a presión parcial también pueden emplearse para evitar la unión por difusión entre piezas y accesorios, así como para proporcionar un paso de enfriamiento intermedio que puede hacer que el enfriamiento por vacío sea más eficaz.
*Aunque es de sentido común tener mucho cuidado al introducir hidrógeno en cualquier sistema desde el punto de vista de la seguridad, tampoco suele ser aconsejable utilizar hidrógeno en procesos que impliquen piezas que contengan titanio o determinadas aleaciones de cobre.
Tratamiento térmico por convección
Los procesos de convección introducen gas inerte en el sistema de bombeo hasta que la presión dentro del recipiente es igual o superior a una atmósfera. Una atmósfera de presión es comparable a la presión del aire en una habitación a temperatura ambiente.
Podría parecer contraproducente bombear un horno hasta casi alcanzar el vacío, sólo para llenarlo con otro gas a la misma presión que tenía antes de la bomba, pero controlando cuidadosamente los elementos presentes en el relleno de gas, los termoprocesadores se asegurarán de que sus piezas no reaccionen con elementos no deseados que puedan estar presentes en el aire ambiente, como el agua o el oxígeno.
Los hornos de vacío suministran su carga térmica principalmente mediante calor radiante. En el vacío, la ausencia de atmósfera elimina la posibilidad de que el calor se transfiera por convección. Esto proporciona al operario un control significativo sobre las temperaturas del proceso y la consistencia de la cámara a lo largo de los pasos críticos de la transformación térmica. Sin embargo, dado que el calor radiante transmite la energía en dirección lineal, las curvas y grietas pueden afectar significativamente a la consistencia del proceso de tratamiento térmico.
La adición de un gas inerte a un sistema a una atmósfera de presión o superior puede ayudar al suministro de calor por convección que puede controlar mejor la consistencia térmica de una pieza compleja. El calentamiento por convección es mucho más eficaz que el calentamiento radiante a temperaturas más bajas.
Las corrientes creadas por un ventilador interno garantizan que el calor se distribuya por toda la geometría de una pieza sofisticada. El gas en movimiento puede ofrecer un suministro térmico más uniforme en los huecos y recovecos para garantizar que las piezas alcanzan la temperatura a un ritmo mucho más rápido antes de ser bombeadas para el remojo final. El proceso resultante garantiza temperaturas más uniformes en todas las superficies desde el inicio de la rampa hasta el pico térmico en mucho menos tiempo, lo que permite tiempos de ciclo más rápidos para piezas complicadas.
Conclusión
Mientras que los operadores de hornos de vacío tienden a centrarse en el suministro de gas de temple, la capacidad de suministrar un gas de proceso durante las etapas de rampa y remojo ofrece a los operadores la oportunidad de aumentar la funcionalidad de su horno. Los hornos de vacío son una herramienta ideal para obtener piezas uniformes y limpias mediante procesos como la presión parcial o el tratamiento térmico por convección debido a su excepcional control de los gases presentes en la cámara durante un ciclo de procesamiento térmico.
Para obtener más información sobre cómo puede utilizar el tratamiento térmico por presión parcial en su horno de vacío, póngase en contacto con nosotros en technical@ipsenusa.com.