HORNOS DE VACIO PARA TRATAMIENTOS TERMICOS
Hornos para tratamientos térmicos: Los hornos para tratamientos térmicos varían en tamaño, diseño, modo de calentamiento, etc. Por lo tanto, no es posible tener una clasificación precisa. Hay hornos en los cuales se usa un combustible y la carga está expuesta a los gases de la combustión, mientras que en otros la carga se calienta indirectamente, esto es la cámara de combustión está separada de la carga. Hay hornos que se calientan por resistencias eléctricas. La asociación de equipo para calentamiento industrial, clasifica los equipos en: estufas y hornos. Esta separación se hace en base de la temperatura de operación; si la temperatura de operación llega a 600°C es una estufa, pero s í la temperatura de operación es mayor de 600°C, se llama homo. Esta separación basada en la temperatura de operación es relacionada con el modo de calentamiento. Hay básicamente tres modos de transmisión de calor, que son: conducción, convección y radiación. En el tratamiento térmico industrial, estos modos de calentamiento pueden ser usados en forma individual o combinada.
Conducción. - La conducción de calor en un sólido, tal como lo es una pieza o herramienta, es debido a la influencia de un gradiente de temperatura y sin apreciable desplazamiento de las partículas. Si" la temperatura de la superficie de una pieza es elevada, el calor fluye al centro de la misma por un mecanismo molecular. La conducción de calor involucra la transferencia de energía cinética de una molécula a otra en una reacción en cadena. El calor fluye continuamente hasta que se logra el equilibrio térmico El tiempo depende de la conductividad térmica del metal en cuestión, pero en general la velocidad de conducción de calor en los metales es relativamente rápida. En la mayoría de los procesos de tratamientos térmicos la conducción de calor juega un papel mínimo en la transferencia de calor desde la fuente a la pieza de trabajo, pero es el modo único de transferencia de calor de la superficie al centro de la pieza. Una excepción a la regla es: sales fundidas, metales fundidos y cama fluidizada, en estos el medio de calentamiento está en contacto directo con la superficie de la pieza.
Convección. - Involucra el calentamiento a través de un líquido o un gas. El movimiento del fluido puede ser debido a la diferencia de densidad ocasionada por la diferencia de temperatura; a la cual se le llama convección natural o también puede producirse por medios mecánicos y se le llama convección forzada, en este método se utilizan abanicos o propelas. En el revenido del acero es común la aplicación del calentamiento por convección. La estufa que se utiliza en el revenido del acero opera eficientemente a los 480°C; por arriba de esta temperatura decrece la eficiencia de la transferencia de calor por convección.
Radiación. - Un cuerpo emite energía radiante en todas direcciones por medio de ondas electromagnéticas, el rango de longitud de onda varia de 4 a 7 micrómetros. Cuando esta energía toca otro cuerpo, algo de la energía es absorbida e incrementa el nivel de actividad molecular, produciendo calor. Algo de la energía es reflejada, la cantidad de la energía absorbida depende de la emisividad de la superficie de la pieza reflectora; si dos piezas de metal, una caliente y otra fría, colocadas en una cámara aislada; la caliente se enfría y la fría se calienta. El intercambio de energía se lleva a efecto hasta que ambas piezas lleguen
al equilibrio, o sea, hasta que alcancen la misma temperatura. La transferencia de calor por radiación está relacionada directamente con la emisividad. La cual es igual a la razón de perdida de calor por unidad de área de la superficie a una t emperatura dada a la razón de perdida de calor por unidad de área de un cuerpo negro a la misma temperatura. El significado practico es que cuando la carga es colocada en el horno y expuesta a un calor radiante, su razón de calentamiento depende de su superficie; una pieza altamente reflejante (acero inoxidable pulido), absorbe menor cantidad de calor que una pieza oxidada. Hornos paras tratamiento térmico:
Hornos no-continuos Hornos continuos Hornos de sales fundidas Horno de metales fundidos Hornos de cama fluidizada Horno de atmósfera controlada Hornos al vacío
Definición hornos de Vacío: En éste tipo de hornos, el calentamiento es al vacío y representa un nuevo desarrollo en el campo de la metalurgia, pero en particular en los tratamientos térmicos. El tratamiento térmico al vacío puede ser utilizado en: • • • •
Prevenir reacciones en la superficie de trabajo de la pieza, como lo es la oxidación o descarburación. Quitar contaminantes superficiales, como lo son películas de óxidos. Agregar sustancias en la superficie de trabajo, como es el carburizado, el nitrurado, etc. Eliminar sustancias contaminantes de los metales, mediante, el efecto desgasificante del vacío; para eliminar el oxígeno, hidrógeno, etc.
Los tratamientos térmicos en hornos al vacío son: templado, revenido, recocido y alivio de esfuerzos. En los hornos al vacío, fig 14. conseguir un vacío completo es virtualmente imposible. Una atmósfera estándar al nivel del mar es de 760 mm. de mercurio, los grados de vacío usados en la mayoría de los tratamientos térmicos es 1/760 de una atmósfera. Bajo éstas condiciones, la cantidad de aire original remanente en la cámara de trabajo es aproximadamente 0.1%.
Estos tipos de hornos son totalmente automáticos, están construidos con doble carcasa para permitir la circulación de agua que sirve como aislante de temperatura entre la zona caliente y el exterior. En el interior del horno (zona caliente) se encuentra la unidad de calefacción constituida por resistencias de grafito y también están alojadas las boquillas que permitirán direccionar el nitrógeno como medio de enfriamiento. La unidad de vacío la constituyen 2 bombas que pueden producir vacío, de hasta 1×10-5 Bar, con lo cual se asegura la existencia de poco o casi nada de aire en el interior del horno y por consiguiente evitar la oxidación de las piezas durante el calentamiento. Por medio del procesador se determinan todas las etapas del proceso desde la purga del horno hasta el enfriamiento final. El acabado de las piezas que son procesadas en este tipo de hornos es brillante y limpio. En este tipo de hornos generalmente se recocen y se templan aceros grado herramienta, además se pueden realizar procesos especiales como envejecidos brillantes y otros. La temperatura máxima de este tipo de hornos es de 1280°C.
Estos hornos resuelven el problema de la oxidación y la descarburización superficial de una forma muy eficiente, figura 3.15. A través de una profunda succión, se desaloja casi todo el aire que podría oxidar la superficie durante el tratamiento térmico. Una vez logrado el vacío entre las resistencias y la pieza, comienza el calentamiento por medio de una lenta radiación. Después el temple se realiza con nitrógeno a una presión de hasta 6 bar. Las temperaturas máximas de estos hornos son de hasta 1260 °C
empleándose para los siguientes tratamientos: recocido, normalizado, relevado de esfuerzos, temple y revenido, sinterizado, etc.
Tipo de Tratamientos Térmicos: Temple. Revenido a baja y alta temperatura. Recocido. Nitruración rápida. Nitrocarburación. Recocido brillante. Distensionado térmico. Desgasificación y Recristalización. Soldadura a alta temperatura. Sinterizado de aleaciones Cr-Ni. Brazing.
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Temple: Se ha desarrollado éste procedimiento en el que se endurece únicamente la capa superficial de las piezas. El calentamiento se puede hacer por llama o por corrientes inducidas de alta frecuencia, pudiéndose regular en ambos casos perfectamente la profundidad del calentamiento y con ello la penetración de la dureza. Una vez conseguida la temperatura de temple, se enfría generalmente en agua. Temple de aceros herramienta Austenizado entre 800-1060°C, temple y tres revenidos. Se puede realizar en hornos al vacío o de sales. Recomendaciones: Se sugiere aI igual que en los aceros alta velocidad un relevado de tensiones antes del maquinado final para ayudar a disminuir las deformaciones generadas por un maquinado severo. En muchos casos es necesario enderezar o rectificar por lo que se deben dejar tolerancias para el maquinado semi-final. Temple de aceros de baja aleación Austenizado entre 790-880°C, temple y un revenido. Se puede realizar en hornos de atmósfera controlada o de sales. Recomendaciones: Se sugiere un relevado de tensiones antes del maquinado final para ayudar a disminuir las deformaciones generadas por un maquinado severo. En muchos casos es necesario enderezar o rectificar por lo que se deben dejar tolerancias para el maquinado final. Temple de aceros inoxidables Martensíticos Austenizado entre 950-1060°C, temple y dos revenidos. Se puede realizar en hornos al vacío o de sales. Recomendaciones: Un relevado de tensiones antes del maquinado final, ayuda a disminuir las deformaciones generadas por el tratamiento térmico. Se deben dejar las tolerancias adecuadas.
Relevado de esfuerzos El relevado de esfuerzos es un proceso que tiene por objetivo liberar los esfuerzos residuales generados por procesos de manufactura tales como maquinados profundos forja o soldadura. EI tratamiento se realiza a una temperatura entre 600-700°C y se enfría al aire. Se puede realizar en hornos de sales, atmósfera y vacío.
Recomendaciones: En piezas que tienen esfuerzos residuales generados por maquinados severos, es necesario liberar los esfuerzos residuales del primer maquinado, terminar de maquinar la pieza y endurecer (templar), con esta secuencia se disminuyen considerablemente las deformaciones después del temple.
Nitruración: Es un tratamiento de endurecimiento superficial a baja temperatura, en el que las piezas de acero templadas y revenidas, al ser calentadas a 500°c en contacto con una corriente de amoniaco, que se introduce en la caja de nitrurar, absorben nitrógeno, formándose en la capa superficial nitruros de gran dureza, quedando las piezas muy duras sin necesidad de ningún otro tratamiento posterior. Es un proceso termo químico que introduce además del nitrógeno, carbono para producir una capa superficial delgada de nitruros y carbonitruros llamada capa blanca o capa de compuestos y una zona de difusión la cual contiene nitruros de hierro. La capa mejora la resistencia al desgaste en la superficie sin sufrir deformación en las piezas, ya que el proceso se lleva acabo a una temperatura de 480-580°C. Se pueden nitrocarburizar parcialmente las piezas que así lo requieran mediante la aplicación de una pintura anti nitrurante. Con este proceso se pueden nitrocarburizar moldes que tengan venas de enfriamiento. Recomendaciones: Las piezas a tratar deben tener la superficie limpia (sin óxido, aceite o descarburización) para obtener óptimos resultados. No se deben realizar maquinados después de ser aplicado el nitrocarburizado. Revenido: Es un tratamiento que se da a las piezas de acero que han sido previamente templadas. Con este tratamiento, que consiste en u n calentamiento a temperatura inferior a la crítica Acl, se disminuye la dureza y resistencia de los aceros templados, se eliminan las tensiones creadas en el temple y se mejora su tenacidad, quedando el acero con la dureza o resistencia deseada. Recocido: Con éste nombre se conocen varios tratamientos cuyo objetivo principal es ablandar el acero; otras veces también se desea además regenerar su estructura o eliminar tensiones
internas. Consiste en calentar a temperaturas adecuadas, seguidos generalmente de enfriamientos lentos. Los diferentes tipos de recocido que se emplean en la industria se pueden clasificar en tres grupos: recocidos con austenizacion completa, recocidos subcriticos y recocidos con austenizacion incompleta. Carbonitrurado, Temple y Revenido La carbonitruración es un proceso termoquímico superficial, que consiste en difundir carbono y nitrógeno en la superficie de las piezas para formar una capa. Las temperaturas de saturación y difusión oscilan entre 780-870°C, después se realiza un temple y un revenido. La penetración que se puede lograr es de 0.05- 0.75 mm (0.002″ -0.030″). Este proceso se realiza en hornos de atmósfera controlada. Se pueden realizar carbonitruraciones localizadas. Generalmente la dureza del núcleo es baja debido a los aceros utilizados. Recomendaciones: Solicitar una capa mayor a la que se va a remover al maquinar.
PARTES PRINCIPALES: Resistencias de grafito: Se emplean en hornos de vacío y especiales. El grafito utilizado es un producto sintético que se mecaniza fácilmente lo que permite montajes de todo tipo. La resistividad varía poco con la temperatura: de 1000 μΩ cm a temperatura ambiente y a 1200 °C, presenta un mínimo de 800 μΩcm a 500°C y crece lentamente por encima de 1200°C para llegar a 1100 μΩcm a 2000 °C. Por otra parte, la resistencia eléctrica no varía con el tiempo de
funcionamiento. Se alcanzan 2300°C en hornos de vacío, aunque en hornos con atmósfera controlada de argón o helio puede llegar a 2500-2600 °C. La carga especifica es del orden de 30-40 W/cm2. En la figura 2.5.3.1 se muestra un horno de vacío con resistencias de grafito.
Figura 2.5.3.1.- Horno de tratamientos térmicos al vacío. Temperatura máxima 1400°C.
Sensores Pirani: Pirani es un medidor robusto conductividad térmica utilizada para realizar el sistema de medición de presiones están en un vacío. Fue inventado por Marcello Pirani en 1906. Se basan en la conductividad térmica de los gases como un indicador de su presión, es decir, la dependencia de la presión hábilmente que el gas tiene que conducir el calor. Estos tipos de sensores se utilizan para mediciones en un intervalo de presión desde la atmosférica a 10 -4 Torr. Un indicador Pirani, dos cadenas actúan como resistencias en dos ramas de un puente de Wheatstone. Son la referencia filamentos se sumergen en una presión fija mientras que la medición de los filamentos está expuestos al sistema de gas. La corriente a través del puente se calienta ambas hebras. moléculas de gas llegan a los filamentos de calefacción y parte de desgarre de su calor, mediante la variación de la temperatura y variando de este modo la resistividad del filamento. Si la presión alrededor del filamento, tal como el gas no es idéntica a la de todo el filamento de referencia, el puente se desequilibra y el grado de desequilibrio de la presión es una medida de la indicación. En realidad, metros Pirani eléctricamente moderna, ajustar el desequilibrio y el uso de la corriente necesaria para llevar el balance general como una medida de presión. Nota: Un puente de Wheatstone se utiliza para medir resistencias desconocidas mediante el equilibrio de los brazos del puente. Estos están constituidos por cuatro resistencias que forman un circuito cerrado, siendo una de ellas la resistencia bajo medida.
Sensor de vacío Pirani VSP63
Mantenimiento: NOTA: Antes que, de dar cualquier mantenimiento o servicio a esta unidad, desconecte el cable de servicio del enchufe de la fuente de poder. Limpieza: Desinfecte el interior del horno regularmente. Para preparar el horno para la limpieza remueva las repisas y la banda aislante de la puerta. Las repisas y la banda aislante de la puerta se pueden poner en la autoclave. Cuando lave la banda aislante, manéjela con cuidado para no dañar el sello positivo. Primero, limpie las partes removibles y el interior con agua y jabón. Para descontaminar use un desinfectante que sea recomendado para su aplicación. NO USE limpiadores a base de cloro o abrasivos porque dañan las superficies de acero. No use limpiadores en spray o en chisguete que puedan filtrarse por las rendijas y llegar a las partes eléctricas o que puedan contener solventes que dañen sus coberturas. PRECAUCIÓN: Nunca limpie la unidad con alcohol o limpiadores inflamables con la unidad conectada a la fuente de corriente eléctrica. Siempre desconecte la unidad del servicio de corriente eléctrica cuando esté limpiando y asegúrese de que todos los limpiadores volátiles e inflamables se hayan evaporado y secado antes de reconectar la unidad a la fuente de corriente eléctrica. Almacenaje: Si el horno requiere ser apagado para ser almacenado o transportado, saque las repisas, seque la cámara y cierre y asegure la puerta. Atornille completamente las patas niveladoras. No se requiere mantenimiento en los componentes eléctricos. Si el horno no funciona como se especifica, mire la sección “Investigando Fallas” antes de llamar para pedir servicio.
Operación al Vacío: 1. Una bomba con una capacidad de bombeo cuatro veces mayor al volumen de la cámara es comúnmente usada. Cuando se trabaja con vacíos menores a 1mm, se requerirá de un tipo de bomba de difusión. Vea la Sección 9.0 para las capacidades de la cámara.
2. ES IMPORTANTE USAR LA TUBERÍA AL VACÍO PARA TODAS LAS CONEXIONES AL VACÍO. OTRO TIPO DE TUBOS PUEDEN COLAPSAR Y PREVENIR UNA EVACUACIÓN COMPLETA.
3. Para aplicar vacío a la cámara: Conecte la manguera de la bomba de vacío a la manguera de conexión de 3/8" en la parte trasera del horno. Cierre la válvula de VENTILACIÓN (VENTILATION) (siguiendo las manecillas del reloj) y abra la válvula de vacío. Cierre y asegure bien la puerta y haga funcionar la bomba de vacío. Esta acción mantendrá la puerta cerrada y contra la banda aislante hasta que la bomba cree vacío en la cámara. Una vez que se logre un buen sello al vacío, la puerta permanecerá cerrada y sellada hasta que la cámara vuelva a la presión atmosférica.
4. Observe el CALIBRADOR DE VACÍO (VACUUM GAUGE) y cuando se obtenga el vacío requerido, cierre la válvula de ventilación y apague la bomba. El Calibrador de vacío se incrementa de 0 a 76 cm de mercurio y 0 a 30 pulgadas de mercurio cuando 0 representa la presión atmosférica actual. Con una bomba de vacío conveniente, el horno puede ser evacuado a presiones tan bajas como 10 micrones.
5. Escape de vacío: Para retornar la cámara a la presión atmosférica, abra la Válvula de vacío (VACUUM valve) muy despacio y permita que la cámara vaya retomando presión. La velocidad con que va ganando presión puede ser controlada por cuanto se vaya abriendo la válvula. NOTA: Un tubo sellado de 1 pulgada se provee en la parte trasera de la unidad. Este puerto de acceso puede ser usado para conectar la cámara a una bomba mayor y más rápida o como conducto para otras aplicaciones de servicios. Cualquier uso de este tubo requiere que el operador se asegure que esta adhesión esté bien apretada para permitir aspiración adecuada.
Procedimiento de operación (común): 1. Proveedor de Poder: Conecte el cable de servicio a un enchufe que tenga contacto a tierra si se ha provisto de un juego de cables por separado. Enchufe la termina ción femenina en el enchufe de la unidad y la terminación masculina en el enchufe de la fuente de poder. Asegúrese que las unidades que requieren un fusible, tengan el fusible instalado. Este fusible puede estar en el enchufe de la unidad o formar parte de la terminación masculina del juego de cables. Mueva el interruptor de la unidad a la posición PRENDIDO (ON).
2. Gire el CONTROL DE ELEVACIÓN DE LA TEMPERATURA (SET OVER TEMPERATURE) a la posición máxima (siguiendo las manecillas del reloj).
3. Coloque un termómetro de referencia certificado dentro de la cámara donde sea fácil de ver a través de la ventana. 4. Selección de Temperatura Principal: Para acceder al modo de selección de temperatura, presione ya sea la almohadilla con flecha SUBE o BAJA una a la vez. El despliegue digital empezará a brillar y a opacarse intermitentemente. Mientras está intermitente el despliegue digital está mostrando el punto seleccionado. Para cambiar el punto seleccionado, use las almohadillas con flechas SUBE o BAJA. Si las almohadillas con flechas no son presionadas por cinco (5) segundos, el despliegue digital dejará de ser intermitente y leerá la temperatura actual de la unidad. La Luz Indicadora de Calor indicará que el horno se está calentando. Dé varias horas a la unidad hasta que alcance y mantenga el punto seleccionado.
5. Calibrando la Temperatura Principal: Se recomienda que la calibración se haga una vez que la unidad esté instalada en su ambiente y sitio de trabajo y haya estado estable al punto seleccionado por varias horas. Compare la lectura del termómetro de referencia con el del despliegue digital. Si es que hubiera una diferencia inaceptable ponga el despliegue en el modo calibrar presionando ambos botones SUBE y BAJA al mismo tiempo hasta que los puntos decimales empiecen a prenderse y a apagarse intermitentemente. Mientras está intermitente, el despliegue puede ser cambiado hasta igualarse con el termómetro presionando las flechas SUBE o BAJA hasta que el despliegue digital lea el valor correcto. Si las almohadillas con flechas no son presionadas por cinco (5) segundos, el despliegue digital volverá a la lectura de temperatura anterior en la cámara. Deje que la temperatura del horno se estabilice otra vez para recalibrar si fuera necesario. 6. Seleccionando el Control de Elevación de Temperatura (Set Over Temperature): Una vez que la temperatura principal se estabilice al punto seleccionado, ajuste el Control de Elevación de Temperatura (Set Over Temperature). Previamente ajustado a la posición máxima, gire la perilla del control en contra de las manecillas del reloj suavemente y solo hasta que se prenda la luz del Control de Elevación de Temperatura (OVER TEMPERATURE LIGHT). Luego gire la perilla siguiendo las
manecillas del reloj suavemente y solo hasta que se apague la luz. Luego gire la perilla de control siguiendo las manecillas del reloj a dos (2) divisiones de menor escala en el dial pasando el punto donde se apagó la luz. El Control de Elevación de Temperatura (Set Over Temperature) estará ajustado aproximadamente 10°C sobre el punto de la Temperatura Principal. Cuando comience a usar un horno nuevo, deje que el horno opere por dos horas, o hasta que normalice el ciclo antes de que empiece a usarlo. NOTA: Un humo o vapor leve puede ocurrir en el calentamiento inicial. Es la disipación de una capa protectora que ha sido añadida a los elementos del horno.
Investigación de fallas y servicio:
Precauciones: NOTA: ESTE NO ES UN HORNO A PRUEBA DE EXPLOSIONES
No ponga o use explosivos, combustible o materiales inflamables en el horno. No use recipientes o contenedores sellados en la cámara del horno. No modifique el cable de la fuente de poder que se provee con Esta unidad. Si el cable no le queda al enchufe haga que un electricista calificado le instale el enchufe apropiado. Desconecte la unidad de la fuente eléctrica cuando intente hacer reparaciones o remplazos de piezas. Si está utilizando un termómetro de mercurio y ÉSTE se rompe, asegúrese que todo el mercurio sea retirado de la cámara. Este horno NO es apropiado para ser usado en localidades Clase I, II, ó III como está definido en el Código Eléctrico Nacional de los Estados Unidos de América, NFPA 70. Este horno no está diseñado, y tampoco puede ser usado, como aparato para conectar a un paciente.
Bibliografía: http://especialidadestermicas-mx.com/relevado-de-esfuerzos http://shellab.com/documents/4861531__1425_1445_1465__04-07_Spanish.pdf
