Las atmósferas comerciales a base de nitrógeno dependen de mezclas de gas precisas para controlar la química de la superficie del metal. Para aplicaciones de endurecimiento, una composición típica es 97 % de nitrógeno (N2), 1 % de hidrógeno (H2), 1 % de monóxido de carbono (CO) y 1 % de metano (CH4). Los procesos centrados en la descarburación a menudo utilizan 40 % de N2, 40 % de H2 y 20 % de CO, mientras que las aplicaciones de cementación suelen utilizar una mezcla de 90 % de N2 y 10 % de H2.
La composición específica del gas está dictada por la reacción superficial deseada: las mezclas "pobres" sirven como barreras protectoras contra la oxidación, mientras que las mezclas "ricas" o controladas por carbono alteran activamente la dureza superficial y la estructura química.
Clasificación de las atmósferas por función
Para seleccionar la composición correcta, primero debe comprender los tres roles distintos que desempeñan estas atmósferas en el procesamiento térmico.
Atmósferas protectoras
Estas mezclas están diseñadas para ser químicamente neutras en relación con el metal. Su función principal es prevenir la oxidación o la descarburación durante el calentamiento.
Se utilizan con mayor frecuencia en el recocido de metales ferrosos, conservando el acabado superficial sin alterar su composición química.
Atmósferas reactivas
Las atmósferas reactivas contienen intencionalmente concentraciones más altas de gases activos. Están diseñadas para reducir los óxidos metálicos o facilitar la transferencia de carbono a materiales ferrosos.
Atmósferas controladas por carbono
Estos son un subconjunto específico de atmósferas reactivas. Promueven una reacción con el acero para agregar carbono a la superficie (cementación) o eliminar carbono (descarburación), según los requisitos del proceso.
Composiciones específicas por aplicación
La relación exacta de nitrógeno a gases reactivos (H2, CO, CH4) varía significativamente según el proceso térmico.
Tratamientos de endurecimiento
El endurecimiento requiere un entorno estable que mantenga los niveles de carbono al tiempo que permite la transferencia de calor.
- Composición: 97 % de N2, 1 % de H2, 1 % de CO, 1 % de CH4.
Modificación de carbono superficial
Estos procesos alteran drásticamente la química superficial del metal.
- Descarburación: Utiliza altos niveles de gas reactivo para eliminar carbono.
- Composición: 40 % de N2, 40 % de H2, 20 % de CO.
- Cementación: Utiliza una mezcla portadora específica para facilitar la adición de carbono.
- Composición: 90 % de N2, 10 % de H2.
Recocido (atmósferas pobres)
Los tratamientos de recocido continuos a gran escala generalmente utilizan atmósferas "pobres" a base de nitrógeno. Estas son principalmente nitrógeno pero contienen trazas de gases reactivos para eliminar el oxígeno residual.
- Composición: 97,1 % de N2, 1,7 % de CO, 1,2 % de H2.
Sinterización (atmósferas ricas)
Los procesos como la sinterización de polvo de hierro requieren atmósferas "ricas" con concentraciones más altas de gases reductores para garantizar una unión adecuada.
- Composición: 75,3 % de N2, 11 % de CO, 13,2 % de H2, 0,5 % de CH4.
Comprensión de las compensaciones
Si bien las atmósferas a base de nitrógeno ofrecen versatilidad, lograr el equilibrio correcto requiere una gestión cuidadosa de las proporciones de gas.
Equilibrio entre reactividad y seguridad
Las altas concentraciones de hidrógeno (H2) y monóxido de carbono (CO), como las utilizadas en la descarburación (60 % combinado), aumentan significativamente los riesgos de inflamabilidad y toxicidad del proceso.
Sensibilidad del proceso
En atmósferas "pobres", el margen de error es pequeño. Con solo ~3 % de gases reactivos (CO y H2), una fuga menor o contaminación puede abrumar rápidamente la capacidad de la atmósfera para prevenir la oxidación, lo que lleva a piezas manchadas o comprometidas.
Tomando la decisión correcta para su objetivo
Seleccionar la atmósfera correcta se trata de igualar el potencial de gas con su objetivo metalúrgico.
- Si su enfoque principal es el endurecimiento: Utilice una base de 97 % de N2 con cantidades traza de H2, CO y CH4 para mantener la integridad de la superficie sin una alteración agresiva.
- Si su enfoque principal es el control de carbono: Utilice mezclas de alto hidrógeno (10 % a 40 % de H2) para impulsar activamente las reacciones de cementación o descarburación.
- Si su enfoque principal es el recocido: Elija una mezcla "pobre" (aprox. 97 % de N2) para proteger eficazmente el metal de la oxidación de manera rentable.
- Si su enfoque principal es la sinterización: Opte por una atmósfera "rica" con niveles elevados de CO y H2 para garantizar una reducción y unión efectivas de los polvos metálicos.
El éxito depende del control preciso de estas proporciones para garantizar que la atmósfera actúe exactamente como lo requiere la metalurgia.
Tabla resumen:
| Aplicación | Nitrógeno (N2) | Hidrógeno (H2) | Monóxido de carbono (CO) | Otro (CH4) | Función |
|---|---|---|---|---|---|
| Endurecimiento | 97% | 1% | 1% | 1% | Protección/Estabilidad superficial |
| Cementación | 90% | 10% | - | - | Adición de carbono |
| Descarburación | 40% | 40% | 20% | - | Eliminación de carbono |
| Recocido (pobre) | 97,1% | 1,2% | 1,7% | - | Prevención de la oxidación |
| Sinterización (rica) | 75,3% | 13,2% | 11% | 0,5% | Reducción y unión |
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