Aspectos a tener en cuenta

Atmósferas en los tratamientos térmicos

Serafí Vives, ingeniero (Entesis)11/01/2012

11 de enero de 2012

La selección de la atmósfera, su generación y el control de la misma son los pasos más importantes en el tratamiento térmico. De ello, dependerá el poder controlar la oxidación superficial o la formación de la capa con la química deseada en la superficie del acero.
foto

Antecedentes

Las reacciones en las superficies de las piezas a tratar varían según el tipo de acero, la temperatura, el tiempo y la composición de la propia atmósfera. Así, mientras que en unos casos se producirá alguna reacción, en otros la misma atmósfera será neutra.

Los gases componentes de las atmósferas más comúnmente usados son:

- Nitrógeno

Compone el 78,1% del aire, considerado inerte y utilizado como portador o de purga. A altas temperaturas no es compatible con el molibdeno, cromo, titanio y culombio. En estado líquido es usado para refrigeración

- Hidrógeno

Es altamente reductor y se utiliza para eliminar la oxidación. Por encima de los 700 °C puede decarburar al reaccionar con el carbono para formar metano. Es extremadamente explosivo e inflamable

- Monóxido de carbono

Es también reductor aunque no tanto como el hidrógeno. Es el elemento base para los tratamientos de carburación de aceros. Su contenido hace variar el potencial de carbono, definido como el contenido -en %- de carbono en la superficie de una pieza.

- Dióxido de carbono

A 830 °C es tan oxidante como el vapor de agua. Formará óxido ferroso a elevadas temperaturas, mientras que por debajo de los 540 °C forma óxido ferroso-férrico

- Argón y Helio

Son gases inertes para los tratamientos térmicos

- Amoníaco disociado

La disociación del amoníaco se produce por encima de los 300 °C en presencia de catalizadores como el hierro o el níquel, produciendo nitrógeno e hidrógeno que ya hemos visto anteriormente. También usado para la nitruración cuando el nitrógeno se halla en estado atómico.

- Vapor

El vapor de agua reacciona con el acero entre 350 y 650 °C produciendo una oxidación superficial resistente al desgaste (pavonado)

- Hidrocarburos

Los más comúnmente usados son el metano, el propano y el gas natural, que contiene un 85% de metano aproximadamente. La combustión de los mismos suministra el carbono necesario para el tratamiento térmico.

Así para el metano: 2CH4 + O2 = 2CO + 4H2; propano: 2C3H8 + 3O2 = 6CO + 8H2

Generación de atmósferas

Según la composición de la atmósfera se clasifican en:

- Exotérmicas

Son generadas por la combustión parcial o completa de mezclas de aire e hidrocarburos y generalmente conteniendo vapores de agua y dióxido de carbono.

- Endotérmicas

Obtenidos por medio de la combustión parcial de hidrocarburos a aproximadamente 1.040 °C y con mayores contenidos de CO y H2 que las exotérmicas:

CH4 + 2,5 Aire (0,5 O2 + 2 N2) ————-> CO + 2 H2 + 2 N2

La composición típica del endogas después de extraer el vapor de agua es:

Análisis  Aire/metano   Aire/Propano

H2          40,4%            31,1%

N2           39,0%           45,3%

CO           19,8%           23,4%

CO2           0,1%           0,0%

H2O           0,2%           1%

CH4           0,5%           0,2%

La relación aire/hidrocarburo depende de la fuente:

Propano: 7,0

Butano: 9,5

Gas natural: 2,5 (conteniendo un 85% de metano)

También pueden ser generadas in situ, es decir, dentro del propio horno con la mezcla de nitrógeno con líquidos orgánicos volátiles como el metanol, la acetona, el isopropanol y el etilacetato. La mezcla más comúnmente usada es la de nitrógeno y metanol, que aporta:

  • 0% N2 +100% CH3OH = 33% CO
  • 30% N2 + 70% CH3OH = 23% CO
  • 40% N2 + 60% CH3OH = 20% CO
  • 60% N2 + 40% CH3OH = 13% CO
  • 70% N2 + 30% CH3OH = 10% CO
La disociación del metanol puede realizarse también en un equipo externo operando a más bajas temperaturas con un catalizador de cobre y zinc
Análisis Nitrógeno-Metanol    Endo de gas natural    Endo de propano

%CO 15-20                                 19,8                      23,8

%H2 35-45                                 40,4                      31,2

%CO2 0,4                                   0,3                        0,3

%CH4 0,3                                   0,5                        0,1

%N2 resto                                 resto                      resto

Para producir endogas, la proporción gira en el entorno de un litro de metanol por cada metro cúbico de nitrógeno

- Monogas nitrógeno

Obtenido por combustión de un hidrocarburo con la casi totalidad del CO2 y del vapor de agua eliminados. La relación puede ser de hasta 9 partes de aire por una de gas natural. Pueden enriquecerse con metano u otros hidrocarburos.

- Amoniaco base

Conteniendo amoniaco, sus dos componentes disociados y trazas de vapor de agua.

- Carbón vegetal

Obtenido haciendo pasar aire a través de carbón vegetal calentado y separando los gases deseados. En desuso.

foto

Selección del tipo de atmósfera

En la tabla siguiente se indican las aplicaciones más comunes para los distintos tipos de atmósferas
Atmósfera                              Tratamiento térmico

Exotérmica pobre               Recocido de cobre, formar capa de óxido en el acero

Exotérmica rica                  Soldadura cobre y plata, sinterizado, recocido, temple

Nitrógeno base pobre          Neutra, recocido (puede causar descarburación)

Nitrógeno base rica            Sinterizado, recocido, soldadura de acero, cobre

Endotérmica pobre             Temple

Endotérmica rica                Carburación, cementación

Amoniaco disociado            Soldadura cobre y plata recocido brillante, nitrurado

Control de la composición de la atmósfera

Los métodos de control en continuo de la composición de las atmósferas suelen ser generalmente indirectos, es decir, basados en la medición de uno de los gases componentes de la ecuación estequiométrica correspondiente. Así, en el caso de gas natural enriqueciendo una mezcla de nitrógeno-metanol, las reacciones (reversibles) serían para un generador
CH3OH + N2 <—-> CO + 2H2 + N2
y en el interior del horno (ecuación no igualada):
CH4 + CO + H2 + N2 <—-> CO + CO2 + CH4 + H2 + N2 (+ H2O)
Los métodos de control pueden ser midiendo en el interior o midiendo en el exterior del horno. Asimismo, los elementos de medición pueden dividirse en tres grupos:

  • Sondas de oxígeno comúnmente usadas en hornos de temple, cementación, etc.
  • Sensores infrarrojos, usados en generadores endo y exotérmicos y en equipos para la medida de dos o tres gases –CO, CO2 y CH4.
  • Medidores del punto de rocío en generadores de nitrógeno y antaño en generadores endo y exotérmicos.
Existen otros métodos, aunque raramente usados en la industria debido a su sofisticación y/o al elevado coste de los instrumentos:

  • Orsat que analiza la composición por medio de distintos reactivos
  • Cromatografía que mide la concentración de cada gas por su ionización
  • Conductividad térmica
  • Otras (analizadores paramagnéticos, galvánicos, pellistores, etc.)
Solamente las sondas de oxígeno permiten realizar las mediciones in situ, es decir, dentro del horno, con la ventaja de una mayor rapidez de respuesta del sistema de control. En cualquier caso, es recomendable contrastar las mediciones realizadas con estos métodos con la deposición de carbono en una laminita de acero con un contenido de carbono conocido (shim stock).

Sondas de oxígeno

Las sondas de oxígeno están compuestas por un electrolito formado por óxido de zirconio y dos electrodos: uno interior y otro exterior, y es introducida en el interior del horno de forma que el electrodo exterior está bañado por el ambiente del mismo y el electrodo interior por aire ambiente:
La señal de salida de la sonda de oxígeno es una tensión contínua función de la diferencia de presiones parciales del oxígeno entre sus dos electrodos y se expresa por la ecuación de Nerst
foto
                               P O2 ref

E = 0,0496 T log —————-

                                 P O2

donde

E = señal en mV de la sonda de oxígeno

T = temperatura absoluta

P O2 = presión parcial del oxígeno

A partir de la misma puede determinarse el potencial de carbono:

%C = Ф (E, %CO, T)

donde

E = señal en mV de la sonda de oxígeno

%CO = contenido de monóxido de carbono

T = temperatura absoluta

Las sondas de oxígeno normalmente incorporan una sonda de temperatura –termopar tipo K, R o S- cuya señal es usada conjuntamente por el convertidor de señal o el regulador para el cáculo del %C.
La precisión de las sondas de oxígeno depende de varios factores, aunque tiene mayor influencia su propio diseño que los elementos constitutivos de las mismas:

  • Los electrodos deben estar alejados de partes metálicas de forma que no puedan aumentar la disociación del monóxido de carbono o del vapor de agua
  • Se debe aumentar la ventilación en el entorno de los electrodos para minimizar la reacción de disociación del metano que produce el níquel del tubo metálico
Otros errores proceden de la instalación

  • Calidad del aire de referencia utilizado. Debe ser limpio, libre de agua y aceites
  • Limpieza insuficiente de los electrodos
  • Operar con elevados potenciales de carbono (>1,1), fuera del campo de la fase austenítica ya que la deposición de carbono sobre los electrodos no permite una lectura correcta.
  • Operar con un factor de CO (COF) incorrecto: para unas mismas condiciones de temperatura, el potencial de carbono depende del contenido de CO sin variar la señal de salida de una sonda de oxígeno
%CO 15 17 19 20 21 23

%pC 0,80 0,88 0,95 1,00 1,05 1,11

- Impedancia de entrada del receptor de la señal de la sonda de zirconio demasiado baja. Deberá ser superior a 30 MΩ
El envejecimiento de las sondas de oxígeno se produce como consecuencia de:

  • Aumento de la impedancia de la sonda como consecuencia del deterioro del electrolito. Las causas pueden ser operar con un elevado potencial de carbono y/o una elevada temperatura
  • Agrietamiento de la cerámica como consecuencia de los calentamientos o enfriamientos bruscos ocasionados durante la limpieza y el propio servicio
  • Deterioro del electrodo interior por oxidación. Las causas son un caudal de aire de referencia excesivo y elevada temperatura.
  • Ataque químico de elementos que destruyen los electrodos, tales como el zinc que destruye el platino de los mismos o el propio óxido de zirconio del electrolito.
Por lo general, cualquier error de la sonda de oxígeno se traduce en una disminución de su señal de salida, es decir, una lectura del potencial de carbono inferior al real, lo que conlleva a una mayor carburación de las piezas tratadas.

Si las piezas tratadas aparecen decarburadas, deberá revisarse la receta utilizada en el tratamiento, tanto el %C como los tiempos programados y también verificar el valor ajustado de COF/PF (factor CO/ factor de proceso) en el convertidor de señal o en el regulador correspondiente.

Sondas Lambda

Son semejantes a las sondas de oxígeno aunque de dimensiones más reducidas. Su gran campo de aplicación es el control de los gases de escape en la industria del automóvil. Debido a sus menores dimensiones, sus grandes volúmenes de fabricación y sus menores requerimientos —no requieren aire de referencia ni de limpieza— su coste es más económico que las sondas de oxígeno.

En la industria de los tratamientos térmicos se instalan en el exterior del ambiente a controlar y reciben la muestra de gas a analizar desde un tubo insertado en la pared del horno. Dadas sus reducidas dimensiones, toman el aire de referencia del ambiente que les rodea. Deben calentarse a temperatura constante entre 600 y 700 °C. Normalmente el calentamiento se realiza por medio de una resistencia integrada en la propia sonda, resistencia que debe alimentarse con una tensión estabilizada para evitar variaciones de la temperatura de la sonda.

La muestra de gas debe llegar limpia de polvo, humedad y hollín, por lo que deben instalarse filtros previos a las mismas. No son recomendables para operar con %C elevados puesto que no es posible realizar una limpieza del hollin que se deposite como en las sondas de oxígeno. Presentan, para el control de tratamientos térmicos, el grave inconveniente de ofrecer una respuesta poco precisa cuando deben operar con potenciales de carbono variables y por tanto no son recomendables en el control de procesos tales como el temple o la cementación.

Por lo general su uso queda restringido a emplazamientos con gran uniformidad del %C en el tiempo, tales como generadores de endogas y en el control de atmósferas de sinterizado o de soldadura por capilaridad.

Bibliografía
  • 1995 Carburizing and nitriding atmospheres. Conference proceedings – ASM
  • Heat Treating Handbook. Volume 4 – ASM
  • Steel Heat Treatment Handbook – Equipment and Process design –CRC Press
  • Tratamiento térmico de los aceros – Volumen 1 - Pedeca Press Publicaciones

Empresas o entidades relacionadas

Entesis Technology, S.L.

VÍDEOS DESTACADOS

TOP PRODUCTS

ENLACES DESTACADOS

ExposólidosSmagua 2017

ÚLTIMAS NOTICIAS

OPINIÓN

OTRAS SECCIONES

SERVICIOS