IMPLEMENTACIÓN DE LA TECNOLOGÍA DE TRATAMIENTOS

1
Departamento de Ingeniería Metalúrgica y de Materiales
Facultad de Ingeniería
Universidad de Antioquia
IMPLEMENTACIÓN DE LA TECNOLOGÍA DE TRATAMIENTOS
TÉRMICOS CON ATMÓSFERA GASEOSA CONTROLADA EN
FORJAS BOLÍVAR S.A.
L. J. RODRIGUEZ VÉLEZ, A. ORTIZ CÁRDENAS, C.A. LÓPEZ, J. MOY
RESUMEN
Los tratamientos térmicos de las piezas forjadas juegan un papel fundamental para
la empresa Forjas Bolívar S.A. sus productos se caracterizan por estar sometidos
a altas exigencias en condiciones de servicio, por esta razón en éste trabajo se
describe el montaje, los beneficios y la puesta a punto de la planta de tratamientos
térmicos, incluyendo un horno de cementación de atmósfera controlada, en el cual
se tiene un estricto control de todas las variables como temperatura, tiempo,
potencial de Carbono, flujo y tipo de gases, entre otros; también es uno de los
procesos más amigables con el medio ambiente en la industria de los tratamientos
termoquímicos del acero. Gracias a la nueva tecnología se ha mejorado los
tiempos de producción, la competitividad, el control del 100% de los procesos, la
calidad y la investigación para mejorar sus productos.
PALABRAS CLAVE: Tratamientos térmicos, potencial de carbono, acero forjado,
cementación temple y revenido.
ABSTRACT
The Heat treatments of forgings play a key role in Forjas Bolívar S.A. company; its
products are characterized by being exposed to great efforts in service, for this
reason, this paper describes the setting up, benefits and optimization of the thermal
treatment plant, including a carburizing controlled atmosphere furnace, in which it is
possible to have a strict control of all variables such as temperature, time, carbon
potential, flow and type of gases, among others; it is also one of the processes
more environmentally friendly in the industry of steel carburizing. With the new
technology, the company has total control of the processes; also, production times,
competitiveness, quality and research activities have improved.
Keywords: Heat treatments, potential carbon, steel forging, carburizing, quenching
and tempering.
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1. INTRODUCCIÓN
El
presente
trabajo
muestra
la
experiencia de la empresa Forjas Bolívar
S.A. en la ejecución de un proyecto de
desarrollo tecnológico para realizar los
tratamientos térmicos de piezas de acero
en su propia planta. El incremento en la
producción, la reducción de costos,
tiempos de entrega y el control interno
del 100 % de los procesos que llevan sus
productos, fueron los factores que
impulsaron a la ejecución de este
proyecto en las siguientes líneas de
trabajo principalmente:
a) Identificación de las necesidades de
mejoramiento de la calidad del
producto, tiempos de entrega a los
clientes
y
aumento
de
la
productividad.
b) Realizar el diseño de la distribución
de planta y el montaje de los
equipos.
c) Diseñar e implementar en la
empresa
los procedimientos de
tratamientos térmicos para piezas
forjadas.
d) Implementar
una
tecnología
amigable con el medio ambiente que
permita innovar bajo los pilares del
desarrollo sostenible.
e) Determinación del mejoramiento de
la calidad de los productos, los
tiempos
de
entrega
y
la
productividad.
En el proceso de selección de los
equipos se optó por un horno de
atmosfera controlada para realizar la
cementación
en
medio
gaseoso,
teniendo en cuenta que este proceso es
uno de los que más se emplean en la
actualidad para cementar aceros por ser
el más limpio y el único que permite
controlar el potencial preciso deseado de
%C en la atmósfera. Estos hornos con
atmósfera cementante de CO, son
ampliamente utilizados para calentar y
sostener la temperatura de la mayoría de
aceros al realizar los tratamientos
térmicos tradicionales de recocido,
normalizado,
temple
y
revenido,
garantizándose
que
no
sufran
descarburación; también sirven para la
reposición de carbono en la superficie de
aceros que se han descarburado1. La
pérdida de carbono en la superficie del
acero se presenta siempre que este se
calienta en una atmósfera oxidante como
ocurre en el proceso de forja en caliente,
ésta reducción en el contenido de
carbono puede impedir la respuesta del
acero a las condiciones del temple y
obtenerse propiedades inferiores en la
superficie o cerca de ellas, por ende el
control de la descarburación es esencial
en los tratamientos térmicos y ésta
ocurre como lo describen las siguientes
ecuaciones2,3:
C(enγ) + CO2 → 2CO
(1)
C(enγ) + H2O → CO2 + H2
(2)
2CO + O2 → 2 CO2
(3)
CO + H2O → CO2 + H2
(4)
La
introducción
de
“atmósferas
protectoras” permite controlar estos
procesos de oxidación, descarburación y
carburación de los aceros; uno de estos
tipos es la atmósfera endotérmica, la cual
puede ser usada en la mayoría de los
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procesos de calentamiento en hornos
que requieran fuertes condiciones
reductoras y de utilidad especial en
procesos industriales que involucran
tratamientos
térmicos
de
temple,
recocido, normalizado, revenido y
cementación4.
La
empresa Forjas Bolívar S.A. se
caracteriza porque sus procesos son
amigables con el medio ambiente y se
rigen bajo un sistema de gestión
ambiental certificado con la norma ISO
140015; para la nueva planta de
tratamientos térmicos se realizó un
estudio sobre la disposición final de
todos los residuos que se pudieran
generar, con el propósito de ser acordes
con los pilares que fundamentan el
desarrollo sostenible, regido por la
política de gestión ambiental de la
empresa6
La situación se torna más crítica aún
cuando la pieza falla en servicio debido a
un inadecuado tratamiento térmico,
generando importantes paros en la
producción, prolongación en los tiempos
de receso y cuantiosas pérdidas
económicas tanto para los usuarios (los
clientes), como para Forjas Bolívar S.A.
En la figura 1 se pueden observar los
tipos de defectos asociados a los
tratamientos térmicos causantes de
repetidas devoluciones en el segundo
semestre del año 2008, para una
cantidad total de producto rechazado de
1.648 Kg, esto genera gran cantidad de
problemas en tiempos de entrega, costos
e inconformidades con el cliente.
2. DISEÑO EXPERIMENTAL Y
RESULTADOS
Fig. 1. Distribución de defectos asociados a
tratamientos térmicos
2.1 Necesidades de la empresa
Uno de los procesos contratados con
terceros y que representaba un cuello
de botella muy importante para Forjas
Bolívar S.A., era el tratamiento térmico
de algunas piezas forjadas que eran
tratadas (generalmente por cementación,
temple y revenido), por proveedores y
que después del proceso, presentan
variados y repetidos defectos, siendo
necesario reprocesarlas o reemplazarlas.
Dadas estas circunstancias, se tornó
indispensable
que
Forjas
Bolívar
desarrollara a través de este proyecto,
sus procesos de tratamientos térmicos
exclusivamente para piezas forjadas, de
tal manera que se pudieran estandarizar
las metodologías más adecuadas para
cada una de sus piezas y se llevara un
control estricto tanto de los equipos,
como de los procesos y productos.
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2.2 Diseño y montaje
2.2.1 Selección
Se llevó a cabo un minucioso estudio y
evaluación para la selección de los
equipos, teniendo en consideración los
productos de la empresa, los tipos de
aceros con los que se fabrican, las
diversas geometrías y dimensiones, los
procesos térmicos y de maquinado
previos a la etapa de tratamiento térmico,
entre otros.
Se seleccionó una planta para los
tratamientos térmicos con capacidad
máxima de carga de 400 kg., dos hornos
verticales con retorta tipo batch7 aptos
para procesos bajo atmósfera controlada,
una cámara generadora de Endogas,
que crea un medio protector con altos
contenidos de H2 y CO por la conversión
de metano y aire8, un tanque para
diversos medios de temple con
capacidad de hasta 3.500 litros de líquido
y una lavadora industrial que recupera
los residuos de aceite en las piezas
después del temple; la distribución de
planta se realizó como se observa en la
figura 2:
Fig. 2. Distribución Física de la planta
Todos estos equipos están controlados
por instrumentos de última tecnología,
donde uno de ellos es, por ejemplo, la
sonda de zirconia, la cual constituye el
elemento principal para la determinación
del potencial de carbono. Esta consiste
en una pieza de zirconia colocada entre
dos electrodos que actúan como
electrolito entre los gases en el interior
del horno y el aire de referencia en el
interior de la sonda. El electrodo exterior
está constituido por la vaina metálica de
la sonda. La sonda generará una tensión
proporcional a la relación (Pco)2/(Pco2),
para cada temperatura. En el interior de
la sonda se encuentra una termocupla
tipo "S" destinada a la medición de
temperatura de la atmósfera cercana al
punto trabajo de la sonda9,10.
Cuenta además con electroválvulas de
paso, termopares y pirómetros que
permiten mantener un riguroso control
del sistema de calefacción bajo la acción
de controladores P.I.D.11
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2.2.2 Puesta a Punto
- Potencial de carbono de Endogas: Con
el horno a 850ºC se realiza una medición
del potencial de carbono que aporta el
Endogas sin presencia de otros gases
obteniendo como resultado 0.33 a 0.38
%C.
Para iniciar un tratamiento térmico bajo
atmósfera controlada se realizaron las
siguientes pruebas a los gases, equipos
y procesos.
- Punto de rocío: la relación aire/CH4 se
varío entre 2 y 3 hasta lograr que el
punto de rocío estuviera cerca de 0 ºC y
evitar la generación de hollín en exceso o
la condensación del vapor de agua, si se
producen ambas situaciones se generan
serios problemas para los equipos y el
control de la atmósfera.
- Curva de calentamiento: Para la
determinación
de
la
curva
de
calentamiento del horno de cementación,
se encendió este a su máxima potencia
sin carga, hasta una temperatura de
850ºC y luego se apagó, presentando la
inercia térmica mostrada en la figura 3.
De la cual se puede inferir la rata natural
de calentamiento y enfriamiento para
poder analizar la desviación de la curva
que produce el efecto de la masa.
- Cementación retorta interna: se realizó
un proceso de 4 horas a 930 ºC con un
potencial de 1 %C sin carga hasta lograr
que toda la superficie interna del horno
se cementara y la atmósfera interna
trabajara con mayor eficiencia sobre las
piezas; después de este proceso se
dispusieron 3 probetas pulidas de acero
1020 en diferentes partes del horno y se
realizaron espectrometrías antes y
después de la prueba para determinar
las variaciones del porcentaje de
carbono,
obteniéndose
los
datos
consignados en las siguiente tablas:
C
0.16
Mn
0.50
Si
0.16
Cr
0.1
Ni
0.06
P
0.011
S
0.018
a)
#
C
Mn
Si
Cr
Ni
P
1 0.97
2 0.948
0.48
0.49
0.16
0.15
0.085
0.086
0.08
0.09
0.01
0.01
3 1.081
0.40
0.13
0.107
0.15
0.01
b)
Tabla 1. Composición química a) antes de
cementar, b) después de cementar.
(Espectrómetro de emisión óptica marca
Shimadzu, modelo: OES 5500)
Fig. 3. Curva de calentamiento Horno
de Cementación.
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2.3 Calidad
térmicos
de
los
tratamientos
Para verificar el grado de calidad de los
procesos de tratamientos térmicos
diseñados e implementados con esta
nueva planta, se realizaron los siguientes
procedimientos:
- Para predecir la efectividad en la
recuperación de carbono en aceros
descarburados se seleccionó una platina
para cadena transportadora hecha en
acero 1045 que proviene de una lámina
cortada por oxicorte y se le realizaron
procesos de temple a 930ºC, por un
tiempo de 2 horas y a un potencial de 0.9
%C y el revenido se realizó a 480ºC
durante 2 horas; en la figura 4 se
observan las metalografías realizadas en
ambos casos.
a)
b)
temperaturas con una atmósfera de 1%
de Carbono y se obtuvieron los
espesores de capa efectiva como lo
indica la tabla 2:
#
1
2
3
Temp.
ºC
920
920
920
Tiempo
(horas)
1
5
6
Capa efectiva
μm
116,65
313,25
544,55
Tabla 2. Parámetros de cementación.
El procedimiento para la medición de
capa efectiva se llevó a cabo tomando 10
medidas desde el borde en dirección
radial hacia el centro y a lo largo del
perímetro de la probeta, hasta encontrar
las primeras trazas de ferrita α y se tomó
el 50% de esta longitud para realizar un
promedio con los valores de la tabla
anterior como se muestra en la figura 5.
En la metalografía de la figura 6 se
observa la capa cementada de la probeta
número 3 y su respectivo núcleo.
c)
d)
e)
Fig. 4. Platina 1045 cortada por oxicorte a–c)
sin tratamiento, d-e) con tratamiento
- Para medir la profundidad de capa
cementada se dispusieron 3 probetas de
acero AISI 1020 de 12.25 mm. de
diámetro y de 50 mm. de longitud
aproximadamente, con la composición
química descrita en la tabla 1 a) y se
sometieron a diferentes tiempos y
Fig. 5. Profundidad de capa cementada
respecto al tiempo a 920ºC
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Tratamiento
térmico
temple y revenido
cementación
a)
Proveedor
a
8,20%
9,33%
b
36%
50%
Tabla 4. Comparación de costos con los
proveedores
b)
Fig. 6. a) Capa cementada, b) núcleo.
2.4 Mejoramiento ambiental
- Se realizaron a algunos productos de la
empresa los tratamientos de temple a
una temperatura de 850ºC, por un tiempo
de 2 horas y a un potencial de carbono
de 0.6 y revenido a 600ºC por 90 minutos
(A490M) y a 620 ºC por 100 minutos
(325). Luego se les realizó ensayo de
dureza Rockwell C y tracción obteniendo
los resultados de la tabla 3
Laboratorio
Norma
Eafit
U de A
Fecha
ASTM A490
12
M
06/05/2010
ASTM A
13
325
29/01/2010
acero/diámetro
M42 - 4140
1 1/4"-1045
Tllo Hex
Tllo Hex
Esf min norma
150839 psi
105000 psi
Esf máx
ensayo
Dureza Norma
167025 psi
121877 psi
33 - 39 HRC
19 - 30 HRC
34 - 27 HRC
26 - 29 HRC
Pieza
Dureza real
Tabla 3. Resultados de tracción y Dureza
para tornillos A490M y A 325 respectiva/
- La reducción de costos se muestra en
la tabla 4 donde se observa en
porcentaje para la empresa cuanto se
ahorra en dinero comparado con los dos
proveedores
que
realizaban
los
tratamientos térmicos de sus piezas.
2.4.1 Producción de gases
El sistema de generación de Endogas
está provisto de dos copas de quemado
para la combustión de los excesos de la
mezcla en el generador y la evacuación
de los gases del horno vertical. Los
hidrocarburos del gas natural se
craquean
(descomponer
moléculas
grandes en componentes más simples)
en sus componentes básicos que se
combinan con el oxígeno del aire a
elevada temperatura para formar un gas
que consiste básicamente en 40% de
hidrógeno, 20% de monóxido de
carbono, 40% de nitrógeno y hasta un
1% de metano. La importancia de la
operación de los dos quemadores
consiste en que son utilizados para
disminuir los riesgos ocupacionales y
ambientales del metano y el monóxido de
carbono producidos en el craqueo. Esta
combustión permite que tanto el CO
como el CH4 se conviertan en CO2 lo que
significa una atmosfera segura de
trabajo, pues el CO además de ser un
gas venenoso es uno de los principales
gases contaminantes. Por el lado del
CH4, aunque el porcentaje en la mezcla
es
relativamente
bajo
(1%),
la
importancia de su combustión radica en
que éste posee un potencial de
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calentamiento global – GWP14 para 100
años de 25 veces el potencial de
calentamiento global del CO215. Su
conversión a CO2 mediante combustión
contribuye enormemente a la prevención
del cambio climático.
2.4.2 Producción de líquidos
Otro de los residuos que más se produce
es el exceso de aceite de las piezas
después del temple, para su control se
hace pasar por una lavadora industrial
acoplada a un tanque, donde la mezcla
de agua y aceite después del lavado se
separan en el equipo mostrado en la
figura 7. Se tiene que los largos periodos
de retención hidráulica logran separar
por densidades ambos líquidos y
reprocesarlos nuevamente; realizando el
recorrido del I al V, donde por rebose
pasa el aceite y en la parte inferior de
cada recámara fluye el agua hacia la
siguiente. En la sección V se retiene todo
el aceite para extraerlo del tanque y en la
sección IV se almacena el agua para
reutilizar en la lavadora.
donde el agua después de pasar por la
planta llega a la parte superior de la torre
hacia el árbol de rociado (1), el cual
convierte el flujo en finas gotas
aumentando el área superficial y al
encontrarse con el aire en contraflujo,
producido por el ventilador de tiro
inducido (5), retira el vapor de agua y al
calor sensible húmedo que retienen las
gotas a través de la sección de
evaporación (7, 2); el tanque de agua (8)
tiene una válvula de nivel que repone el
volumen de agua del suministro perdido
por evaporación, donde el agua
almacenada en este último se reutiliza en
la planta.
FIG. 8. Torre de enfriamiento.
(Imagen manual del equipo)
3. ANÁLISIS DE RESULTADOS
FIG. 7. Equipo para recuperación de aceite
En la planta se usa agua como medio
refrigerante; ésta se reutiliza gracias al
funcionamiento torre de una torre de
enfriamiento mostrada en la figura 8,
3.1 Curva de calentamiento
En la figura 3 se observa que la rata de
calentamiento
fue
de
9ºC/min.
aproximadamente, para la mayoría de los
aceros que se trabajan en la empresa15
los cuales no son de alta aleación. Esta
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velocidad de calentamiento no es
perjudicial para el material y la rata de
enfriamiento
es
de
0.9ºC/min.
aproximadamente,
esta
razón
de
enfriamiento es muy acorde para
tratamientos de recocido total cuando
después de la cementación se realizará
un maquinado posterior y se requiere
que la pieza no posea una excesiva
dureza con el fin de que no desgaste
fácilmente la herramienta.
3.2 Metalografías del acero 1045
En la figura 4 se muestra el cambio
microestructural de la zona afectada
térmicamente por el oxicorte; se observa
en la imagen a) pequeños micro
rechupes y poros (marcas negras cerca
del borde y van reduciendo en número
hacia el centro) generados posiblemente
por la fusión del material al ser cortado,
también cerca del borde se presenta una
estructura constituida por una matriz de
ferrita y trazas pequeñas de perlita
esferoidal, ésta última va aumentando al
acercarnos al núcleo (b-c) donde se
observa perlita en mayor proporción
siendo una microestructura típica de un
acero de medio carbono. Este cambio de
estructura pone en evidencia una amplia
zona que ha sufrido descarburación
severa de más de 500 µm como lo indica
el método de detección microscópica
descrito en la norma ASTM E 1077.
La figura 4 (d-e) se observa una
estructura martensítica revenida en el
borde de la muestra, así como en el
núcleo observándose que estos carburos
presentan un incremento cerca de la
superficie por el enriquecimiento de
carbono; igualmente se aprecia que en
el borde hay una pequeña franja oscura
que puede ser una delgada zona
descarburada. Esta metalografía indica
entonces que por la presencia de
martensita desde el núcleo hasta muy
cerca de la superficie no se presenta
una zona descarburada de un espesor
considerable; otro factor que indica la
recuperación del carbono, es la dureza
superficial que presentó la platina
después del temple la cual fue de 57 a
60 HRC. El hecho de que se haya
realizado el temple a alta temperatura y
que las condiciones de la atmósfera del
horno sean cementantes, son la causa
de la alta eficiencia en la recuperación de
carbono.
3.3 Propiedades Mecánicas
Los datos consignados en la tabla 3
muestran resultados que cumplen con
los estándares que describen las normas
ASTM A490M y A325, para cada una de
las piezas escogidas en este trabajo.
Además
de
las
transformaciones
superficiales ocurridas, como se logra
verificar por la medición de la dureza,
también
se
obtienen
cambios
importantes
en
las
propiedades
mecánicas de los materiales, como la
tracción, la cual supera en forma
considerable los
valores
mínimos
exigidos por la norma.
3.4 Metalografías del acero 1020
En la figura 6 se aprecia la diferencia
microestructural entre la capa cementada
y el núcleo; en la imagen a) se muestra
que la superficie está constituida de
perlita fina donde aun se puede observar
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el contorno del antiguo grano austenítico
marcado por una delgada zona de
carburos, posiblemente cementita proeutectoide, luego en la imagen b) se
aprecia una matriz de ferrita con algunas
trazas de perlita fina precipitada, la cual
es una estructura típica de un acero AISI
102017; se observa en la figura 5 el
efecto del tiempo en el espesor de capa
efectiva, (teniendo en cuenta que la
medición fue realizada al 50% de la
distancia en dirección radial del borde
hacia el núcleo, donde se empiezan a
observar las primeras trazas de ferrita)
tiene un comportamiento similar con lo
establecido en los datos consignados en
ASM Metals Hanbook. Vol. 4. 10th ed.
1991 pag 727.
4. CONCLUSIONES
1. Realizar todos los procesos que llevan
los productos de Forjas Bolívar S.A. sin
contratación de servicios externos,
facilita el control interno y la trazabilidad
de la producción.
2. Los productos que sufren procesos
realizados a altas temperaturas como
oxicorte, forja en caliente18, entre otros,
sin control de atmósfera, pueden generar
cambios termoquímicos que afectan
drásticamente
las
propiedades
superficiales del material.
3. Se logró la recuperación del carbono
perdido en la superficie gracias a la
atmosfera del horno de cementación,
único proceso en el cual se puede
controlar con exactitud el potencial de
carbono y obtener resultados de óptima
calidad.
4. Se evidencia que se alcanza una
calidad aceptada por las normas
aplicables a los tratamientos térmicos
que ofrece la nueva planta en la empresa
Forjas Bolívar S.A.
5. Todo el montaje de la nueva planta se
realizó teniendo en cuenta producir el
mínimo de residuos y ser promotores del
desarrollo sostenible.
6. El análisis de la microestructura y las
propiedades mecánicas, se debe hacer
en forma paralela; ambos análisis se
complementan para evaluar la calidad de
un tratamiento térmico.
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