Accesorios de CFC para aplicaciones de tratamiento térmico

El auge de los accesorios con CFC en la industria del tratamiento térmico

Los hornos de tratamiento térmico representan una inversión de capital sustancial, ocupan un valioso espacio en la fábrica y, a menudo, constituyen un cuello de botella en los flujos de trabajo de producción. La fijación adecuada de los componentes es esencial para garantizar que todas las piezas reciban la transferencia de calor correcta, logren propiedades superficiales y mecánicas uniformes y mantengan tolerancias dimensionales críticas.

Tradicionalmente, los aceros fundidos y forjados han sido los materiales de fijación más comunes. Sin embargo, su alta densidad consume una parte importante de la capacidad de carga del horno, lo que limita el rendimiento general del lote. El acero también tiene un alto coeficiente de expansión térmica (CTE), que con el tiempo-después de una exposición repetida a ciclos rápidos de calentamiento y enfriamiento-produce distorsión y pérdida de la geometría del accesorio.

En los últimos años, el CFC-comúnmente conocido como compuesto de fibra de carbono-se ha convertido en el material de fijación preferido para una variedad de procesos de tratamiento térmico, y ofrece varias ventajas clave sobre los accesorios de aleación fundida convencionales. Los beneficios más notables incluyen una reducción sustancial en el peso del accesorio, lo que aumenta directamente el rendimiento del lote del horno, así como menores costos de mantenimiento y conservación debido a la excepcional resistencia del CFC a la distorsión y su capacidad para conservar la forma durante toda su vida útil.

Hace una década, los CFC todavía se consideraban una opción de fijación exótica y costosa, y pocas empresas poseían los conocimientos o la experiencia práctica para aplicarlo de manera efectiva para mejorar los procesos y reducir los costos. Sin embargo, los avances recientes han simplificado tanto la producción de materias primas como los procesos de fabricación de CFC, mientras que los diseños de accesorios se han vuelto más confiables y repetibles. Como resultado, los accesorios de CFC se han vuelto significativamente más asequibles y ahora ofrecen una solución comercialmente viable en una amplia gama de aplicaciones. A pesar de este progreso, la adopción ha seguido siendo relativamente lenta, en gran parte debido a la idea errónea de que los accesorios de CFC carecen de resistencia y robustez para el manejo de materiales en comparación con sus homólogos de acero.

Hoy en día, los accesorios CFC ya no se limitan a aplicaciones de vacío. El desarrollo de una amplia gama de grados de materiales de CFC ha permitido su uso en otros procesos de tratamiento térmico, incluida la nitruración, la carburación con gas, la carburación a baja presión (LPC) e incluso procesos que implican enfriamiento con aceite o atmósferas de aire a bajas temperaturas (normalmente por debajo de 450 grados).

¿Por qué elegir accesorios de CFC en lugar de accesorios de aleación de acero fundido?

Las propiedades físicas y químicas únicas de los materiales CFC ofrecen importantes ventajas cuando se utilizan en lugar de accesorios de aleación fundida-siempre que las condiciones del proceso sean adecuadas.

Las principales características de los CFC y sus beneficios asociados en comparación con los accesorios de acero fundido se describen a continuación:

• LIGERO– Los accesorios de CFC pesan aproximadamente entre un 10 % y un 20 % de los accesorios equivalentes de acero aleado debido a la menor densidad del material. Esto permite un manejo más seguro por parte de los operadores de tratamiento térmico y una ergonomía mejorada. Para los clientes que actualmente cargan accesorios de aleación a la capacidad máxima del horno, cambiar a CFC generalmente puede aumentar el rendimiento de las piezas entre un 40 y un 60 % como resultado directo del peso reducido del accesorio.
• ALTA RESISTENCIA– El CFC es más fuerte que los aceros aleados fundidos a temperaturas elevadas, siendo aproximadamente diez veces más fuerte a 1000 grados. En particular, la concentración de los CFC aumenta con la temperatura. Ofrece una capacidad de carga-superior a altas temperaturas, lo que permite aumentos de carga neta de fijación de hasta un 100 % en comparación con las aleaciones fundidas.
• MENORES COSTOS DE ENERGÍA– La menor masa térmica de CFC permite un calentamiento y enfriamiento más rápidos-generalmente un 30 % más rápido que los accesorios de acero fundido-y requiere solo una-cuarta parte de la entrada de energía eléctrica durante el calentamiento. Esto da como resultado tiempos de ciclo del horno más cortos, costos operativos reducidos, capacidad mejorada del horno y menos tiempo de inactividad de la máquina. Si bien las condiciones de carga y del horno varían, se pueden lograr ahorros de energía de hasta el 65 %.
• CICLO DE VIDA MÁS LARGO DE LOS ACCESORIOS– La vida útil de los accesorios de CFC es aproximadamente cinco veces mayor que la de los accesorios de aleación de acero fundido, principalmente porque los accesorios de acero fundido tienden a distorsionarse, agrietarse y volverse quebradizos con el tiempo.
• MÍNIMO O NINGÚN RETRABAJO– El CFC tiene un coeficiente de expansión térmica (CTE) mucho más bajo que las aleaciones de acero fundido, lo que lo hace altamente resistente a la fluencia y la distorsión durante ciclos repetidos de calentamiento y enfriamiento. Se puede esperar una reducción del 90% en el tiempo total de retrabajo de los accesorios en comparación con los accesorios de acero fundido, lo que resulta en costos de mantenimiento y conservación significativamente menores. Además, debido a que los accesorios de CFC no se distorsionan, son muy-adecuados para el manejo automatizado-una gran ventaja para grandes instalaciones de tratamiento térmico con alto rendimiento de piezas y múltiples hornos discontinuos instalados en serie.
• MEJORA DE LA CONFIABILIDAD Y CALIDAD DEL PROCESO– CFC ofrece una precisión dimensional y estabilidad excepcionales durante el ciclo térmico, lo que garantiza que los accesorios conserven su forma y que todas las piezas estén colocadas correctamente durante todo el procesamiento. Los accesorios diseñados correctamente que soportan y espacian uniformemente los componentes garantizan un procesamiento confiable y repetible, lo que ayuda a cumplir constantemente los requisitos de calidad. Por el contrario, la inestabilidad e imprevisibilidad de los accesorios de acero fundido pueden provocar ocasionalmente componentes mal colocados o piezas tratadas incorrectamente que requieran reelaboración o procesamiento adicional.

¿Cuáles son las limitaciones de los accesorios CFC?

Aunque el CFC es un excelente material de fijación, ciertas condiciones del proceso pueden limitar su uso o hacerlo inadecuado. Estos incluyen:

• REACCIONES EUTECTICAS– Por encima de los 1000 grados, los CFC pueden sufrir una reacción de contacto con aleaciones de acero, lo que provoca decoloración, carburación no deseada o-en casos graves-fusión eutéctica local (soldadura de piezas al dispositivo). Para evitar esto, se utilizan accesorios de tipo híbrido-que combinan CFC con componentes cerámicos-típicamente alúmina sinterizada o compuestos de fibra de alúmina-. Estas cerámicas sirven como puntos de contacto para piezas metálicas y también pueden proteger completamente los CFC. Alternativamente, los accesorios de CFC se pueden recubrir con una barrera térmica como un aerosol de plasma de circonio estabilizado con itria-para evitar reacciones de contacto. Sin embargo, los recubrimientos tienden a desgastarse con el tiempo y los accesorios a menudo requieren una nueva capa, lo que aumenta los costos de mantenimiento. Para diseños de accesorios nuevos, generalmente se prefieren las cerámicas integradas, ya que ofrecen una solución reemplazable de bajo costo para evitar reacciones eutécticas.
   
• REACCIÓN CON OXÍGENO (O₂)– Cuando se expone al aire o a atmósferas que contienen oxígeno-por encima de los 350 grados, el carbono de la matriz de CFC se oxida, reacciona con el oxígeno para formar dióxido de carbono (CO₂) y se sublima. Si hay vapor de agua (H₂O), la oxidación se produce por encima de 700 grados, formando monóxido de carbono (CO) o CO₂ junto con hidrógeno (H₂). Para evitar la oxidación, muchos hornos de empuje continuo utilizan cámaras de pre-oxidación para eliminar el exceso de oxígeno purgándolo con nitrógeno y encendiendo el oxígeno descargado. En los hornos de vacío de una sola cámara, el oxígeno se elimina mediante bombas de vacío antes del calentamiento. Al especificar accesorios de CFC, los clientes deben asegurarse de que los accesorios no estén expuestos al aire a más de 350 grados en ningún momento durante el proceso. Para aplicaciones con concentraciones de oxígeno muy bajas, se pueden utilizar con éxito materiales CFC impregnados o recubiertos. Siempre se recomiendan pruebas previas a la producción para aplicaciones sin-vacío para evaluar el riesgo de oxidación. Por lo general, esto implica pasar pequeñas muestras de CFC a través del proceso de producción completo varias veces y pesarlas después de cada ciclo. Ninguna pérdida de peso confirma la ausencia de oxidación.
   
• REACCIONES CON LOS MEDIOS– El CFC sin tratar tiene cierta porosidad abierta, lo que puede provocar la adsorción de medios líquidos como aceite de enfriamiento o soluciones de lavado. El CFC impregnado, tratado mediante infiltración química de vapor (CVI) con una sal de fósforo, cierra esta porosidad y evita la entrada de líquido. Este tratamiento también mejora la resistencia a la oxidación. Sin embargo, dichos grados están limitados a 900 grados, ya que el fósforo puede lixiviarse a temperaturas más altas y depositarse en las superficies de los componentes, reduciendo la dureza de la superficie. Para aplicaciones de enfriamiento con aceite, se recomienda encarecidamente realizar pruebas previas a la producción con pequeñas muestras de accesorios y componentes de desecho, especialmente para procesos de carburación con gas que implican lavado posterior al enfriamiento y templado con aire. Se debe prestar especial atención a la eficacia del paso de lavado, ya que el aceite residual en los accesorios de CFC puede generar humo en la cámara de templado o incluso encenderse si pasa a través de una cortina de llamas. Los accesorios de prueba deben ciclarse varias veces para verificar si hay transferencia de aceite o humo. Con el tiempo, el aceite craqueado eventualmente llenará cualquier porosidad restante y eliminará la generación de humo.
   

Condiciones de proceso y criterios de diseño de accesorios de CFC

Al especificar accesorios de CFC para su uso en un horno nuevo o al reemplazar accesorios de acero fundido existentes, se debe prestar especial atención a las condiciones del proceso, así como a los criterios de diseño de los accesorios. Al hacerlo, esto garantiza que el dispositivo será adecuado para su propósito y cumplirá con todas las demandas de la aplicación.

Las listas a continuación brindan una descripción general de las condiciones del proceso y los criterios de diseño de accesorios que deben recopilarse y transmitirse a nuestro equipo de diseño para que se pueda elaborar un concepto de diseño de accesorios inicial.

Criterios de diseño de accesorios y detalles de los componentes

• Nombre o referencia de pieza de cada componente a procesar
• Modelo CAD de cada pieza a procesar (estaremos encantados de firmar un acuerdo de confidencialidad) o dimensiones principales en caso de que no se pueda proporcionar un modelo CAD
• Orientación de componente deseada para cada componente (por ejemplo, horizontal, vertical, colgante, etc.)
• Tolerancias dimensionales y de forma de los componentes.
• Densidad de carga (espaciado de componentes, precisión posicional)
• Capacidad de carga deseada (piezas por accesorio)
• Soporte de fijación de componentes (por ejemplo, contactos puntuales, posiciones de contacto completas)

Condiciones del proceso

• Grado del material para cada componente procesado (para que podamos verificar la composición química)
• Peso de cada componente procesado.
• Tipo de horno (horno de vacío, tipo continuo de empujador, horno discontinuo integral, etc.)
• Carga del horno (¿horno de carga frontal o inferior? ¿manual o automático?)
• Atmósfera del horno (vacío, LPC, gas) –¿La atmósfera contiene oxígeno (O2)?
• Perfil de temperatura del horno (por ejemplo, aumentar la temperatura).xgrados por minuto, mantener a 1050 °C y enfriar a temperatura ambiente)
• Medio de enfriamiento (¿nitrógeno/gas argón o enfriamiento con aceite?)
• Dimensiones máximas de la zona de trabajo del horno (L x W x H en mm)
• Capacidad de carga máxima del horno (Kg)
• Detalles del riel del hogar

·Material del riel del hogar (grafito, molibdeno, acero)

·No. de rieles de hogar

·Ancho, largo y alto del carril del hogar (mm)

·Espaciado entre centros de rieles de solera (mm)

• Método de manipulación de accesorios (p. ej., accesorios levantados con carretillas elevadoras o empujados)
• Si se utilizan montacargas, los siguientes detalles serían útiles:

·No. de brazos de montacargas

·Longitud del brazo (mm)

·Ancho del brazo (mm)

·Brazos fijos o móviles (si son móviles cuál es la separación máxima)

• No existente. de piezas por accesorio (para accesorios de acero fundido, si corresponde)
• Para procesos de soldadura fuerte (si corresponde)

·Material de soldadura

·Línea de soldadura y posición en pieza/conjunto

·Si se aplican pesos de soldadura fuerte, dimensiones y posición del peso.

¿Cómo puedeMATERIALES XINGHUI¿apoyo?

XINGHUI MATERIALS se especializa en el diseño y suministro de accesorios personalizados de compuesto de fibra de carbono (CFC) utilizados para aplicaciones de alta temperatura. Nuestro equipo de ingenieros de materiales tiene una gran experiencia trabajando en las industrias de tratamiento térmico y experiencia de primera mano trabajando con una amplia gama de procesos térmicos, incluido el tratamiento térmico al vacío, carburación con gas y a baja presión (LPC), nitruración y nitrocarburación ferrítica.

Ofrecemos todo el trabajo de diseño de accesorios-por adelantado y sin cargo a todos los clientes sin obligación de compra.

Al diseñar luminarias, nuestro principal objetivo es siempre ofrecer valor añadido al cliente, lograr ahorros de costes y, en última instancia, reducir el tiempo de retorno de la inversión (ROI). Eso se logra mediante:

• Aumento de la carga de piezas por accesorio
• Reducir los costos de funcionamiento (energía) del horno.
• Mejora de la capacidad del horno al reducir los tiempos del ciclo del proceso
• Reducir los costos de mantenimiento y conservación de los accesorios.
• Ofreciendo accesorios con ciclos de vida de producto extendidos
• Reducir los costos de re-trabajo de componentes

Nuestros ingenieros de materiales trabajan mano a mano con nuestro equipo de diseño y juntos podrán guiarlo a través del proceso de selección de materiales y diseño de accesorios para ofrecer una solución de accesorios personalizada y comercialmente viable.