PROLONGACIÓN DE VIDA ÚTIL DE DADOS DE EXTRUSIÓN Daniel Alejandro Treviño Garza ([email protected]) Francisco Javier Inzunza Zavala ([email protected]) Andrés Morelos Zaragoza Lagüera ([email protected]) Zygmunt Haduch Suski ([email protected]) Institución: Universidad de Monterrey Palabras claves: Dados, extrusión de aluminio, nitrurado, tratamiento criogénico, recubrimientos PVD, AlCrN, TiAlN, TiCrN. Resumen. El objetivo del presente trabajo es la prolongación de la durabilidad de un dado de extrusión a base de investigación de uno de los elementos más dañados. Los resultados de dicha investigación pueden ser utilizados en la planeación, diseño y producción de otras piezas del mismo carácter. La vida útil de un dado está relacionado con la cantidad de kilogramos extruidos, en muchas ocasiones los dados extruyen menos kilogramos de los que deberían. Se investigaron los tratamientos térmicos actuales, composición y propiedades del material actual, así como su nitruración. Se utilizó un diseño de experimentos donde se aplicó un tratamiento térmico complejo en probetas de acero H13 nitruradas, compuesto por un templado, doble revenido y un tratamiento criogénico, con el cual se formaría una microestructura martensítica homogénea junto con un aumento en la tenacidad de los dados de extrusión, además de la aplicación de distintos recubrimientos PVD sobre la capa nitrurada de las probetas. Se realizó un estudio tribológico con las máquina T-05 “block on ring” se midió el desgaste de las probetas con las variables antes mencionadas. Los métodos actuales en la empresa se realizan de manera aceptable, así como su material y nitrurado. Los resultados muestran que los recubrimientos por el método PVD mejoran de forma significativa la resistencia al desgaste por deslizamiento. El tratamiento criogénico no muestra mejora en esta propiedad en específico. 1 Introducción A B C La extrusión es un proceso en el cual se hace pasar un material a presión a través de un dado extrusor de forma determinada. Cuando el material pasa por el dado, adopta la conformación de la abertura; puede ser en caliente o en frío. El proceso de extrusión puede ser de gran utilidad ya que se puede evitar el maquinado o soldadura total o parcial de una pieza. Fig.2 Perfiles a) sólidos b)semihuecos c)huecos [2] Material y tratamiento térmico actual Fig.1 Con la extrusión se pueden minimizar los maquinados. [2] La extrusión en caliente se lleva a cabo a temperaturas elevadas, para los metales y aleaciones que no tienen suficiente ductilidad a temperatura ambiente o para reducir la fuerza requerida. El desgaste de los dados puede ser excesivo. El lingote al estar caliente desarrolla una película de óxido, a menos que sea haya calentado en un horno de atmósfera inerte. Ésta película puede afectar el patrón de fluido debido a sus características de fricción. También resulta un producto inaceptable cuándo el acabado de la superficie es importante. Los dados de extrusión de aluminio están en tres categorías básicas; solidas, semihuecas, y huecas. Los nombres describen la forma de los perfiles extruidos, y cada categoría tienen sus especificaciones y ventajas. Actualmente los dados se fabrican de acero H13, el cual es un material para trabajo en caliente con la siguiente composición 0.37-0.42 C, 0.2-0.5 Mn, 0.025 P, 0.005 S, 0.80-1.20 Si, 5.00-5.50 Cr, 0.8-1.20 V. 1.20-1.75 Mo. El acero H13 es templable en aire, y se debe de tener mucho cuidado al momento de realizar la velocidad de enfriamiento para obtener la estructura deseada. La bibliografía, así como las pruebas metalograficas afirman que el tratamiento actual es aceptable. Sin embargo se propone investigar la realización de un tratamiento criogénico en los dados para mejorar sus propiedades mecánicas. En CUPRUM el proceso empieza con el precalentamiento del acero H13 durante 2 horas y 30 minutos a 600 °C. Después se hace el austenizado, donde se aumenta la temperatura a 1030°C en dos horas. Se hace un sostenimiento a 1030°C durante 45 minutos. Para la formación de martensita, se hace un enfriamiento en aire hasta 350 °C en un lapso de 1 hora y 30 minutos. Seguido de un primer revenido a 600°C durante 2 horas y 30 minutos, un sostenimiento por 20 minutos y un segundo revenido a 600°C durante otras 2 horas y 30 minutos. Para finalizar se hace un enfriamiento a temperatura ambiente aproximadamente en 2 horas. El ciclo aproximado del proceso es de entre 15 y 16 horas. En la siguiente figura se muestra un esquema del tratamiento térmico aplicado por la empresa. 2 Fig.3 Tratamiento térmico actual de la empresa.[23] Nitrurado en CUPRUM El nitrurado básicamente consiste en introducir el material deseado en un horno con una atmósfera rica en nitrógeno, con la finalidad de formarse una superficie endurecida. En la empresa se tiene un horno de plasma y un horno de gas para el nitrurado de los dados. El dado es nitrurado en un horno de plasma a 535°C durante 10 horas, con un flujo de amoniaco de 330 ft3/hr (9.34 m3/hr) y nitrógeno de 420 ft3/hr (11.89 m3/hr) sobre los dados de extrusión Al hacer el nitrurado por medio de plasma, se generan mejores resultados, debido a que se le da más profundidad a la zona de difusión y ofrece algunas ventajas como repetitividad, eficiencia en el uso de energéticos, automatizable y tiempos reducibles. Martensita Capa Nitrurada Fig.4 Micoestructura de un dado nuevo atacada con nital 4% [23] acero H13 200x 3 Tratamiento Criógenico. El tratamiento criogénico es un tratamiento térmico adicional que se aplica después del temple para convertir la austenita residual en martensita. La transformación martensitica en el acero ocurre durante un enfriamiento rápido desde una temperatura muy alta, partiendo de una temperatura definida, Ms, y continuando hasta que alcanza la temperatura final de transformación martensitica, Mf, sin embargo la temperatura de Mf de aceros aleados se encuentra localizada por debajo de las temperatura ambiental, por eso es imposible llegar a obtener 100% de martensita templando el acero H13 en aire. Se obtienen mejores propiedades mécanicas con el tratamiento criogénico que cuando es obtenida por temple y revenido. Cabe mencionar que el tratamiento criogénico no sustituye otros tratamientos, si no que es una extensión para mejorar sus propiedades. En la siguiente imagen se hace una comparación de un antes y un después del tratamiento criogénico en unas muestras de acero H13 A B Fig.6 a) Dado muerto sin criogénico b) dado con criogénico 500 x [23] Se puede ver claramente que con un tratamiento criogénico se puede hacer que se mejore el acomodo de la microestructura; no se hace un aumento significativo en la microdureza, pero gracias a la homogeinización de las agujas de martensita fina, se aumenta la tenacidad del material, por lo que resistiría más las condiciones de trabajo que maneja CUPRUM. Materiales para Dados A B Los materiales para dados deben cumplir ciertas propiedades de las cuales las de más importancia son las siguientes: - Fig.5 a) Dado Nuevo sin criogénico b) Dado nuevo con criogénico 200x [23] En la figura anterior se puede ver que la muestra que tiene tratamiento criogénico, presenta una microestructura más fina y homogénea que el dado nuevo que no tiene criogénico. - Resistencia mecánica a temperaturas elevadas. Resistencia al desgaste en condiciones de calor. Resistencia a la fatiga. Estabilización de estructura resistente a descarburización. Acero H13 En México la extrusión de metales no ferrosos, en especial el aluminio, es una actividad industrial muy importante. Uno de los materiales más utilizados para la fabricación de los herramentales o dados de extrusión es el acero para trabajo en caliente “H13”. 4 Es importante mencionar que pueden existir varias versiones del acero H13 donde su composición química puede ser muy similar. A continuación se mencionan algunas de las más utilizadas: A “H13” según la norma ASTM 681. “THYROTHERM 2344 EFS (ESTRUCTURA EXTRA FINA). “THYROTHERM 2344 EFS- SUPRA (ESTRUCTURA SUPRA FINA). “H13”- Según NADCA. B Fig.8 Comparación de a) Capa nitrurada nueva contra b) capa nitrurada desgastada y oxidada 500x atacada con nital 4%.[23] A B Fig.7 Microestructura de acero H13 del estándar según la NADCA a 200x [23] Este acero es el más utilizado debido a sus buenas prestaciones en cuanto a resistencia al desgaste y temperatura de operación, factores claves para la extrusión de aluminio. Sin embargo existen opciones de materiales que pueden ser utilizados en esta industria como lo puede ser el acero H19, y materiales hechos por metalurgia de polvos como el CPM 1V y CPM 9V. Análisis de Material En las siguientes figuras se puede apreciar la microestructura martensítica de los dados de acero H13 utilizados por CUPRUM, protegido por una capa nitrurada; esta capa tiene un espesor uniforme alrededor del dado, se puede apreciar que la imagen de la izquierda no tiene daño alguno debido a que no ha sido sometido a condiciones extremas de trabajo, mientras que la imagen de la derecha muestra una capa nitrurada oxidada. Fig.9 Comparación de a) Capa nitrurada nueva contra b) capa nitrurada desgastada y oxidada 100x atacada con nital 4%.[23] Se midieron las microdurezas Vickers en la matriz martensítica, en la zona difusa y en la capa nitrurada. Los resultados obtenidos se muestran a continuación. Fig.10 Identaciones de microdureza en muestra de acero H13 [23]. 5 Tabla.1 Resultados de microdureza en distintos puntos de las muestras. [23] Matriz Matriz Matriz Matriz Matriz PROMEDIO Capa nitrurada Capa nitrurada Capa nitrurada Capa nitrurada Capa nitrurada PROMEDIO Frontera D1 µm 25.37 25.11 25.04 25.21 25.32 D2 µm 25.7 25.32 25.64 25.58 25.47 20.3 20.7 21.07 20.8 20.42 19.94 20.35 21.33 20.58 19.47 24.08 24.39 HV 568.1 584 577.1 574.9 574.9 575.8 913.4 878.2 865.5 865.5 931.8 890.88 630 grandes cantidades de aluminio, por lo que este se pudo haber incrustado en el dado mientras se extruía; esto pudo haber ayudado a un posterior despostillamiento de la capa nitrurada. Al realizar un tratamiento criogénico, se tiene una mejor matriz martensítica, y por lo tanto, una capa difusa más estable. SEM (Scanning Electron Microscope) Para asegurarnos de que el material investigado en realidad fuera un acero H13 recurrimos al microscopio de barrido, los resultados se muestran a continuación. Fig.12 Sección de con agujas de martensita analizadas por el SEM [23] Recubrimientos PVD La deposición de vapor es un proceso en que el substrato (superficie de la pieza) se somete a reacciones-químicas mediante gases que contienen compuestos químicos del material que se va a depositar. El espesor del recubrimiento suele ser de unos pocos micrómetros que es mucho menor que los espesores que se obtienen con las técnicas Nitrurado o Cementado. Los materiales depositados pueden ser metales, aleaciones, carburos, nitruros, boruros, cerámicas u óxidos. Fig.11 Resultados dados por el microscopio de barrido.[23] Para nuestra investigación, Oerlikon Balzers México, proporciono datos relevantes para seleccionar los recubrimientos adecuados dentro de la gama que ellos manejan. Los recubrimientos propuestos se muestran a continuación. En la figura anterior se puede observar una sección analizada con el SEM, en el punto en el que se analizó la composición, resulto que había 6 Tabla.2 Recubrimientos PVD investigados [24] Material Dureza Vikers Coeficiente de Fricción Espesor (µm) Temperatura de Operación (°C) Color del Recubrimiento Temperatura del Proceso (°C) X-CELL LUMENA ALCRONA Base Cromo 2300 TiAlN 3400 AlCrN 3200 0.4 0.3 – 0.35 0.35 8 – 10 8 – 15 2–5 700 900 1100 Gris Gris Violeta Gris Azul 450 450 450 – 500 Los principales factores para la selección de los recubrimientos son la dureza superficial, que es proporcional con la resistencia al desgaste, coeficiente de fricción en seco, temperatura de operación y aplicación en general. Teniendo en cuenta las características de trabajo de los recubrimientos, se prosiguió con un estudio tribológico en condiciones similares a las del proceso de extrusión de CUPRUM. Tribología La palabra Tribología se deriva del término griego “tribos”, el cual puede entenderse como "frotamiento o rozamiento", así que la traducción literal de la palabra podría ser, "la ciencia del frotamiento". Los modelos tribológicos son dos o más superficies las cuales se encuentran en una interacción en donde existe una fricción y se desgastan las superficies en cuestión. El desgaste es el daño a una superficie sólida que generalmente implica la pérdida progresiva del material y es debido al movimiento relativo entre la superficie y una o varias sustancias en contacto. El material puede ser removido de tres maneras diferentes: por fundición, disoluciones químicas o por separación física Para poder estudiar las propiedades que presentan los diversos materiales ante el desgaste y la fricción, hay que tener algún instrumento de medición, en este caso los tribómetros. Prueba de Bloque sobre anillo (Block on ring) Esta prueba sirve principalmente para determinar la resistencia al desgaste de varios metales y plásticos, y la resistencia al desgaste de las capas de recubrimiento. Adicionalmente se pueden encontrar las propiedades lubricantes de película sólida, lubricantes fluidos y grasas. Esta prueba consiste en hacer girar un anillo a una cierta velocidad, o a una cierta frecuencia. Dicha rueda está en contacto con una probeta en forma de bloque, la cual es desgastada por el anillo. Para cuantificar el desgaste es simplemente medir el volumen desgastado del bloque o su pérdida de peso, siempre y cuando las dimensiones de la probeta, la temperatura, la velocidad de rotación del anillo y la carga aplicada sean las mismas para que la comparación sea válida. Algunas de las normas correspondientes a esta prueba son: ASTM D 2714 ASTM G 77 ASTM D 2981 ASTM D 3704 Utilizamos la máquina tribológica T-05 para nuestras investigaciones, con lo que se determinó: - El desgaste lineal. El desgaste por volumen. El coeficiente de fricción. A continuación se muestra un esquema de la máquina T-05. Fig.13 Esquema de un sistema tribológico. 1) Cuerpo base, 2) Cuerpo Opuesto, 3) Influencias del entorno: Temperatura. Humedad relativa, Presión, 4) Material Intermedio: Aceite, grasa, agua, partículas, contaminantes, 5) Carga, 6) Movimiento [24] 7 La velocidad promedio de extrusión de aluminio es de 25 m/min, por lo que traducido a la máquina T-05 sería una velocidad de 227.36 rpm. La presión promedio en extrusión es de 3300 psi, y traducido a la máquina T-05 sería una fuerza de 23.19kg. Para las pruebas se utilizó un recorrido de 1 km. Se realizaron 3 corridas para cada material, y los resultados obtenidos se muestran a continuación. Fig.14 Esquema de máquina T-05, donde P es la carga aplicada, n, son las revoluciones por minuto y T es la fuerza de fricción. [5] Fig.15 Maquina T-05 para pruebas tribologicas [6] Se pueden medir las propiedades antidesgaste y presión extrema de lubricantes, resistencia de los materiales al desgaste, coeficiente de fricción, así como se grafica en tiempo real el comportamiento del desgaste del material, así como la temperatura.. Fig.17 Gráfica en tiempo real de la fuerza de fricción a lo largo de la prueba de un Nitrurado (arriba) contra un Nitrurado + TiAlN(PVD). Se observa como la prueba del Nitrudado + TiAlN(PVD) la fuerza de fricción es mucho más estable. [23] Las probetas utilizadas se muestran a continuación Fig.16 Probeta utilizada para máquina tribológica T-05, donde el anillo es la contraprobeta y el bloque es la probeta. [6] Fig.18 Gráfica en tiempo real del desplazamiento a lo largo de la prueba de un Nitrurado (arriba) contra un Nitrurado + TiAlN(PVD). Se observa como la prueba del Nitrudado + TiAlN(PVD) después de que la prueba se encuentra en un estado estable (apartir del segundo 1500) se observa como el desplazamiento es mucho menos que en el Nitrurado solo. [23] 8 actualmente Tabla.3 Comparación de todos los sets donde se presenta el desplazamiento promedio y una relación con el nitrurado, proceso actual en CUPRUM. [23] aplicado. El recubrimiento ALCRONA presenta una resistencia alrededor de 12 veces mayor al nitrurado por plasma. Se introdujeron las variables de nuestro proceso en el Software de Minitab y los resultados se muestran a continuación. Pareto Chart of the Standardized Effects (response is Desgaste, Alpha = 0.05) 2.306 F actor A B Term B En la siguiente gráfica se muestran los resultados del desgaste obtenidos con la máquina tribológica T-05. AB A 0 1 2 3 Standardized Effect 4 Fig.20 El diagrama de Pareto muestra como el factor B (PVD con Alcrona) es significativo mientras el factor A (tratamiento criogénico) y su interacción con el factor B no son significativos. [23] Residual Plots for Desgaste Versus Fits 99 10 90 5 Residual Percent Normal Probability Plot 50 10 1 -10 -5 0 Residual 5 0 -5 -10 10 0 5 Los recubrimientos PVD propuestos (Excel, TiAlN y ALCRONA) presentan una mayor 10 4.5 5 3.0 0 -5 1.5 0.0 15 Versus Order 6.0 Residual En la gráfica anterior se muestran los desgastes promedio de los tratamientos realizados. Se observa que los tratamientos PVD (X-cell, TiAlN y ALCRONA) tienen una mayor resistencia al desgaste que el nitrurado solo. El criogénico también presenta una ligera mejoría. Frequency Histogram Fig.19 Resultados de desgaste con las distintas variables estudiadas.[23] 10 Fitted Value -7.5 -5.0 -2.5 0.0 2.5 Residual 5.0 7.5 -10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Observation Order Fig.21 Estas cuatro graficas de residuales muestran factores independientes. Presentan; a) una distribución normal b) Valores alrededor del cero, c) histograma con formal de gráfica normal, d) No se presentan corridas ni tendencias.[23] resistencia al desgaste que el nitrurado por plasma 9 N ame C rio PV D tratamiento. La microestructura martensítica se vuelve con agujas más finas y homogéneas con Conclusiones Con un el tratamiento criogénico. Con lo cual se debería análisis químico, se comprobó que el acero utilizado si es acero H13. Se tiene una estructura martensítica en los dados, sin embargo se presenta austenita residual, lo que afecta en el comportamiento mecánico del material. El acero H13 acompañado con un tratamiento térmico y uno termoquímico tipo nitrurado es una buena opción para la extrusión en caliente del aluminio. Sin embargo existen opciones de materiales (Acero H19, CPM 1V, CPM 9V). térmico se efectúa Los recubrimientos propuestos (X-CELL, TiAlN y ALCRONA) presentan una mayor resistencia al desgaste que el nitrurado por plasma actualmente aplicado. ALCRONA presenta una resistencia cerca de 12 veces mayor al nitrurado por plasma. Sin duda, los recubrimientos tipo PVD son el futuro de la tecnología de fabricación de dados. El aumento de resistencia al desgaste es incomparable con otros métodos. Las metalografías y bibliografías indican que el tratamiento de incrementar la tenacidad del material. de manera adecuada. Con este tratamiento se llega a las Actualmente se realizan pruebas pilotos en la empresa para determinar el impacto que tienen los recubrimientos en condiciones reales. propiedades óptimas en estas condiciones. Sin embargo con el mismo material se puede llegar a mejores propiedades aplicando el nitrurado por plasma más un tratamiento criogénico. El proceso de nitrurado por plasma recién implementado por CUPRUM es mejor en comparación con su proceso anterior por gas. El Bibliografía [1] Dominique A.U. (2006) The Effect of heat Treatment Atmosphere on Hardening of Surface REgion of H13 Tool Steel. Recuperado via pdf-searchengine.com de http://aut.researchgateway.ac.nz/ [2 ] G-Kugler et al. (2005) WEAR BEAHAVIOUR OF NITRIDED MICROSTRUCTURES OF AISI H13 DIES FOR HOT EXTRUSION OF ALUMINIUM http://zagrebhockeycamp.hr/ tratamiento nuevo le da una mayor profundidad y uniformidad en toda la capa nitrurada. Es más eficiente energéticamente y produce resultados menos variables que por horno de gas. Agregar un tratamiento criogénico no presenta una resistencia al desgaste significativa en comparación con el nitrurado, ya que en las pruebas sólo la capa nitrurada entra en contacto con la pieza. Sin embargo se recomienda realizar pruebas mecánicas (aparte de la de desgaste) al material tratado criogénicamente para determinar que tanto se beneficia el dado con este [3 ] Benedyk J., Terhyung K. Nash P. (?) Literature Survey on H13 Extrusion Die Failure (I) Recuperado via pdfsearchengine.com de http://tptc.iit.edu/ [4 ] Karadogan. C. Grueebler R. y Hora P. (?) A new conefriction test for evaluating friction phenomena in extrusion processes Recuperado via pdf-searchengine.com de http://www.scientific.net/ [5 ] Björk T., Jens Bergströma (1999). Tribological simulation of aluminium hot extrusion . Wear, Volumen 224, ejemplar 2. Páginas 216-225. Obtenido el 26 de enero del 2010 véase en: http://www.sciencedirect.com/ [6 ] Baracaldo R., J.A. Benito (2007). High temperature wear resistance of (TiAl)N PVD coating on untreated and gas nitrided AISI H13 steel with different heat treatments . Wear, Volumen 262. Ejemplar 3-4. 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