ARTÍCULO Tratamiento térmico de aceros para

ARTÍCULO
2012
Tratamiento térmico de aceros para herramientas en hornos de vacío con
temple de gas
Parte 2. Revisión de las aplicaciones industriales
Dra. Emilia Wołowiec, Prof. Piotr Kula - Universidad Técnica de Lodz, Lodz, Polonia
Dr. Maciej Korecki, Ing. Józef Olejnik -SECO/WARWICK S.A. Swiebodzin, Polonia
Introducción
El correcto tratamiento térmico es el elemento clave para decidir sobre la utilidad
operativa de elementos de acero para
herramientas. La primera parte de este artículo (PPiK III/IV 2012) presentó los requerimientos del proceso que proporcionan
la estructura adecuada del material mientras que este documento se concentrará en
las aplicaciones prácticas de los hornos de
vacío equipados con sistemas de templado
a gas a alta presión, diseñados para extenso
tratamiento térmico de aceros para herramientas en determinados sectores de la
industria.
nombre en el mundo (Fig. 2.), desde hace
casi 10 años ha estado utilizando hornos de
vacío equipados con sistemas de temple a
gas de alta presión para el endurecimiento
Real Casa de Moneda de Canadá [1]
Un ejemplo interesante del uso de herramientas a gran escala es la fabricación de
monedas en las casas de moneda. Los troqueles y punzones que se usan para acuñar
monedas en circulación, ocasionales o todo
tipo de medallas y distintivos requieren
alta resistencia en relación a la compresión,
la abrasión, la fatiga y el impacto que se
producen en el curso de una multitud de
los ciclos de trabajo por los que pasan (Fig.
1.). Estas propiedades se obtienen gracias a
un diseño apropiado de la superficie de
trabajo de la herramienta y su agarre, así
como los grados de acero apropiados y el
tratamiento térmico.
La Real Casa de Moneda de Canadá, una
de las casas de la moneda de mayor re-
Fig. 1. Troquel para acuñar
de sus herramientas (Fig. 3.). Los grados
de acero básicos utilizados para herramientas son los aceros baja aleación para
herramientas de trabajo en frío, convencionalmente asignados para temple en aceite
O1 (1.2510), O1M i O2 (1.2842, NMV).
Hasta ahora el temple en aceite de herramientas para acuñar no ha podido rendido
los mejores resultados debido a las deformaciones, contaminación de la superficie
después del tratamiento térmico y los problemas derivados en relación a la eliminación de la capa oxidada y descarburada de
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Fig. 2. Edificio de le Real Casa de Moneda en Ottawa
a cabo en un horno de una sola cámara en
un solo ciclo (es decir, sin mover la carga
de un equipo a otro) y se consiste de un
precalentamiento para la austenización,
temple en nitrógeno a alta presión y revenido. Los efectos de dicho tratamiento
térmico son herramientas de dureza y propiedades mecánicas adecuadas y lo que es
igualmente importante, superficies ideales
(brillantes) libres de descarburación y oxidación que por fin pueden ser modeladas o
recubiertas (PVD, cubierta galvánica) para
aumentar la durabilidad de las herramientas (Fig.4.).
la superficie de las herramientas. Con el fin
de liberarse de dichos inconvenientes, se
ha dearrollado una tecnología para templar
los aceros en gas - en nitrógeno a la presión de 10-15 bars. Se aplicó un sistema de
flujo de gas periférico que parece parece
que funciona perfectamente para cargas
densamente pobladas de dimensiones cohesivas y que permite alcanzar la dureza
requerida y la uniformidad de templado.
Fig. 4. Canasta con troqueles para acuñar después
del tratamiento térmico
Fig. 3. Horno de vacío SECO/WARWICK tipo
15.0VPT-4025/24HV para endurecimiento de troqueles y punzones.
Al mismo tiempo se usan aceros de aleaciones superiores como D2 (1.2379), A2
(1.2363), aceros de alta velocidad M2
(1.3341, SW7M), M4 y otros con mayor
contenido de Cr, Ni y Mo, que son decididamente más fáciles de templar en gas.
Todo el proceso de endurecimiento se lleva
Durante el procesamiento térmico la superficie de las herramientas está expuesta a la
descarburación u oxidación que dan lugar a
la disminución de la dureza que descalifica
su calidad. Esto ocurre debido a las partículas de oxígeno y vapor de agua que, una
vez absorbidas del agua o de los contaminantes de la carga, se condensan en el interior del horno y luego se emiten durante
el tratamiento y atacan la superficie de las
piezas a altas temperaturas. Por lo tanto,
antes de empezar el precalentamiento para
la austenización, el horno cargado debe ser
evacuado a un alto vacío de 10-4 -10-5
mbars, con lo cual se elimina con éxito
cualquier contaminante derivado del oxígeno y se protege la superficie de las piezas. Por otro lado, no se recomienda el alto
vacío a temperaturas de austenización, ya
que esto facilita la sublimación de adiciones de aleación de la superficie del acero
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(Mn, Cr, Co, etc.). La baja concentración
de adiciones de aleación reduce la endurecibilidad del acero y puede ser la causa de
la disminución desventajosa de la dureza
de la superficie. Por lo tanto, a temperaturas más altas se mantiene el vacío en el
rango de 10-1-100 mbar.
Teniendo en cuenta los requerimientos del
proceso antes mencionados, la instalación
óptima parece ser un horno de vacío equipado con un sistema de enfriamiento de
nitrógeno de 15 bars de alta capacidad, un
sistema de bombeo de alto vacío basado en
una bomba de difusión y un sistema de
presión parcial para controlar el nivel de
vacío a través la dosificación de nitrógeno.
Aesculap Chifa Sp. z o.o. [2]
Los aceros para herramientas tienen numerosas aplicaciones en la industria de los
productos alimenticios y la industria médica. Las herramientas que se usan en esas
industrias deben contar con propiedades
mecánicas apropiadas y resistencia química, incluida la resistencia a la corrosión.
Para ello se utilizan aceros martensíticos
inoxidables.
La empresa local Aesculap Chifa Sp. z o.o.
de Nowy Tomyśl (Provincia de Wielkopolskie) no es sólo un magnate a nivel nacional en el ámbito de la producción de
instrumentos quirúrgicos, sino también
líder del grupo B. Braun y exportador
mundial de sus productos. La compañía
ofrece una gama de más de 6000 diseños
de instrumentos quirúrgicos para aplicaciones en cirugía general, microcirugía,
ginecología, osteocirugía, cirugía dental y
ortodoncia. Esta empresa cuenta con su
propia planta de tratamiento térmico (HT),
la cual no ofrece en su totalidad el tratamiento térmico que necesita el departamento de manufactura y además brinda
soporte al departamento de herramientas y
ofrece servicios externos. La planta de tratamiento térmico opera en tres turnos, 5
días a la semana y emplea a una docena de
personas. Su equipo principal está formado
por hornos individuales de vacío con una
sola cámara con un sistema de alto vacío,
un sistema de enfriamiento con nitrógeno a
alta presión y calentamiento por convección indispensable para el revenido.
Los principales aceros utilizados en la fabricación de instrumentos quirúrgicos son:
2H14 i 4H14. El tratamiento térmico consiste en temple y revenido en un ciclo único en un horno de vacío. El templado se
lleva a cabo a partir de una temperatura
inferior a 1000°C para el 2H14 y por encima de ese valor para el 4H14, mientras
que el revenido se realiza a temperaturas
de 240°C y 300°C para obtener una dureza
de aprox. 45 y 50 HRC, respectivamente.
Hay ciertos elementos clave que son decisivos para la calidad del tratamiento. Se
garantiza la superficie ideal de las herramientas mediante un alto nivel de vacío en
la fase de calentamiento (10-4 -10-5 mbar) y
la pureza del nitrógeno de enfriamiento
(99,999%). Es particularmente importante
obtener alta pureza en la atmósfera de revenido ya que el acero inoxidable es más
susceptible a la oxidación a temperaturas
más bajas. Por esta razón el revenido se
lleva a cabo justo después del temple, en el
mismo horno, sin necesidad de abrir la
puerta de carga y en la misma atmósfera
pura. Si el proceso de revenido se ejecuta
en otro equipo, se exponen las piezas al
aire y esto conlleva un alto riesgo de oxidación de la superficie.
Fig. 5. Empaquetamiento de herramientas quirúrgicas en una carga de trabajo
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Parámetros del proceso igualmente importantes son la uniformidad en el calentamiento y la homogeneidad de la temperatura dentro de la zona de trabajo (+/- 5°C)
que son cruciales para la precisión de la
temperatura de austenización para toda la
carga de trabajo y para cada una de las
piezaz lo que reduce el tiempo de retención. No son sólo las propiedades del horno las que influyen en los parámetros anteriores, sino en gran medida la experiencia
en la organización de los elementos individuales en la carga de trabajo (Fig. 5). Si no
se cumple la condición de temperatura, no
se alcanzará la temperatura de austenización o habrá un sobrecalentamiento, lo que
afecta de manera negativa los resultados
del temple así como la microestructura de
acero (crecimiento del grano, liberación de
carburos). Los parámetros de templado son
igualmente críticos para el proceso. El
templado de gas a alta presión debe ser
uniforme e intenso. Aunque estos aceros
tienen buena endurecibilidad y la estructura martensítica se obtiene fácilmente para
secciones transversales más pequeñas, se
aplica un enfriamiento intenso a 6 bars con
el fin de evitar la liberación de carburos
que disminuyen la resistencia a la corrosión. Por otro lado, el enfriamiento demasiado intenso no es benéfico, ya que implica un aumento en la deformación de las
herramientas. Los instrumentos quirúrgicos
son detalles muy finos de eje alargado,
particularmente susceptibles a deformaciones causadas por el enfriamiento no uniforme. Se prefiere el enfriamiento dirigido
para este tipo de piezas ya que permite
organizarlas de tal manera que la corriente
de gas de enfriamiento pase de manera
paralela al eje longitudinal de los detalles.
Un horno con un flujo de gas dirigido de
arriba hacia abajo se entregó recientemente
a la empresa (figura 0.6.).
Fig. 6. Una carga de trabajo de herramientas
quirúrgicas en la cámara del horno 6.0VPT-4035 /
36HV de SECO/WARWICK con enfriamiento dirigido de arriba hacia abajo
Por lo tanto, el enfriamiento en el tratamiento de endurecimiento requiere un
compromiso entre la intensidad y la uniformidad, y requiere conocimiento del
horno, de las piezas y experiencia en la
organización de las piezas en la carga de
trabajo.
Además se llevan a cabo ciertos tratamientos más complicados y completos. Estos se
realizan dentro de un solo ciclo, en un solo
horno de vacío, sin transferir la carga de
trabajo de un equipo a otro. Esto se refiere
a las herramientas con aspas hechas de
carburos. En este caso se unen tres pasos
tecnológicos: la soldadura de carburos,
temple y revenido.
La soldadura se realiza con pastas de soldadura de cobre o níquel a temperaturas
superiores a la temperatura de austenización. Después, se baja la temperatura hasta
que la soldadura se fije y luego siguen el
temple y el revenido. La fase de soldado
agrega más impedimentos y compromisos
al proceso ya que se requieren cosas como
alta pureza, precisión en la temperatura,
corto tiempo de homogeneización de la
temperatura y que la soldadura se fije. Por
otro lado, el enfriamiento en la fase de endurecimiento no puede ser intenso ya que
los carburos pueden romperse. A pesar de
las dificultades anteriores, es posible pre4/ 8
definir los parámetros del proceso y ordenar la carga de trabajo en el horno de tal
manera que garantice resultados tecnológicos adecuados.
ridas pasan por el proceso de bonificado
térmico que consiste en temple y revenido.
Todos estos tratamientos se llevan a cabo
con éxito en hornos de vacío con una sola
cámara equipados con sistemas de enfriamiento a gas de alta presión.
Kuźnia Polska S.A. [Planta polaca de
forja Ltd] [3]
Un ejemplo clásico de aplicación de la
conformación de metal y herramientas de
conformación es la industria de la forja
donde el líder nacional es Kuźnia Polska
S.A., una empresa con 200 años de tradición, situada en Skoczów en Śląsk
Cieszyński. El ámbito de negocio de la
Planta de Forja es la fabricación de alta
calidad de troqueles de forja de acero forjado en caliente a una temperatura por encima de los 1000°C, designados principalmente para la industria automotriz, aunque
también para la minería, la ingeniería ferroviaria y la industria de maquinaria. 80%
del volumen de la producción se exporta.
Los productos cumplen los criterios más
exigentes establecidos por la industria automovilística europea y americana. La
compañía es autosuficiente no sólo en la
producción de troqueles de forja incluyendo maquinado y tratamiento térmico; también hacen sus propias herramientas utilizadas en el proceso de la producción de
piezas forjadas. Estas herramientas se utilizan para forjar, recortar, perforar y enderezar los troqueles de forja e incluyen, entre
otros: inserciones para prensa de forja,
placas de corte (herramientas de acabado,
placas para recortar para eliminar rebabas),
punzones para recortar, inserciones para
perforación, punzones para perforar, alisadores para enderezar troqueles de forja en
caliente y frío, placas endurecidas para
dispositivos de forja (Fig.7). Están hechas
de acero típico para herramientas como:
WCL, WCLV, WNLV, SW7M, y para
obtener las propiedades mecánicas reque-
Fig. 7. Ejemplos de forja en caliente de inserciones
para troqueles de acero WCL
El proceso de bonificado de los aceros para
herramientas de trabajo en caliente (WCL,
WCLV) aplica todas las directrices proporcionadas por la NADCA (Asociación norteamericana de fundición), que se revisaron en la Parte I de este artículo. Los siguiente es importante: velocidad de calentamiento, número de paradas de calentamiento, tiempo de homogeneización de
temperatura, velocidad de enfriamiento y
control de la temperatura en el material, así
como parámetros de revenido incluyendo
el número de ciclos de revenido. El manejo
apropiado de todo el tratamiento es crucial
para obtener la durabilidad adecuada de las
herramientas, generalmente medida por
ciclos (de 3 000 a 20 000) que se consigue
por alta resistencia, resistencia al impacto,
dureza, resistencia a la abrasión a altas
temperaturas y fatiga térmica.
El bonificado térmico se realiza en un horno de vacío equipado con sistema de enfriamiento de gas (nitrógeno) a alta presión
que facilita los métodos de enfriamiento
sofisticados (enfriamiento isotérmico) lo
cual reduce las tensiones estructurales y
térmicas y por lo tanto reduce las deformaciones y elimina el riesgo de formación de
grietas en la herramienta. El calentamiento
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por convección permite que el revenido se
lleve a cabo justo después del templado y
proporcionar calentamiento eficaz y uniforme a la carga de trabajo a temperaturas
más bajas (reducción de deformaciones
térmicas). El uso de un horno de vacío
permitió una automatización completa del
tratamiento térmico, evitando problemas
tales como la descarburación y la oxidación de la superficie de la herramienta
(Fig. 8).
les como extranjeros. Fabrican una amplia
gama de herramientas incluyendo fresas,
mangos para herramientas y herramientas
auxiliares (Fig 10.). El material básico para
las herramientas de roscado es acero de
alta velocidad para herramientas tipo
SW7M (SK5M, SK8M), que se
Fig. 9. Fábrica de herramientas FANAR S.A. [4]
Fig. 8. Troqueles de forja en la cámara de un horno
de vacío SECO/WARWICK tipo 10.0VPT4050/48IQ
Actualmente el trabajo se está centrando en
la optimización de los procesos de temple
con parada isotérmica y la aplicación de la
nitruración en vacío con el fin de proveer
endurecimiento superficial adicional. La
nitruración en vacío se puede añadir como
la etapa final del tratamiento térmico que
se lleva a cabo en un solo horno de vacío,
dentro de un solo ciclo de proceso que
consiste en temple, revenido y nitruración
de herramientas. Los resultados iniciales
de la aplicación de la nitruración en vacío
son muy prometedores, por cierto.
Fábrica de herramientas FANAR S.A. [4]
La fäbrica de herramientas FANAR S.A.
es el mayor fabricante polaco de herramientas de roscado (Fig. 9.). Cuentan con
40 años de experiencia en la materia y ostentan una lista de receptores de buena
reputación de sus productos, tanto naciona-
Fig. 10. Un surtido de herramientas de acero de
alta velocidad
trata con calor para obtener las propiedades
mecánicas adecuadas. El tratamiento
térmico consiste en temple a a temperatu6/ 8
ras de 1150-1200°C (usando calentamiento
gradual con paradas a los 850°C y 1050°C)
seguido por dos o tres corridas de de revenido a 550-560°C para obtener la dureza de
62- 65 HRC. Tradicionalmente el proceso
se había realizado en hornos de baño de sal
hasta hace diez años, cuando los hornos de
baño de sal fueron sustituidos por un horno
de vacío de una sola cámara con calentamiento por convección y temple a gas de
alta presión (Fig. 11.). Desde ese momento, el tratamiento se ha llevado a cabo de
forma automática en un solo horno de vacío, dentro de un solo ciclo de proceso, lo
que garantiza un control total del tratamiento y repetibilidad de los resultados, la
calidad ideal de las superficies tratadas,
mientras que al mismo tiempo se aumentan
la seguridad y comodidad en el trabajo,
cuidando del medio ambiento. El efecto
económico positivo también fue significativo, ya que el tratamiento llevado a cabo
en un horno de vacío utiliza un 50% menos
de energía eléctrica, los costos de fabricación por pieza son 30% más bajos y la eficiencia de fabricación es 50% mayor en
comparación con la tecnología de baño de
sal.
Debido a su forma flexible y delgada y la
necesidad de mantener la alineación, las
herramientas templadas son muy susceptibles a todo tipo de irregularidades en el
calentamiento y enfriamiento, lo que resulta en deformaciones excesivas. A fin de
mantener este efecto no deseado al mínimo, es esencial no sólo controlar el progreso del tratamiento, sino también, y sobre
todo, organizar adecuadamente las cargas
de trabajo y proporcionar la sujeción adecuada a la carga de trabajo. Se debe de
evitar colocar delicadas piezas cerca de los
elementos de calentamiento y boquillas de
enfriamiento y fomentar la colocación vertical, empaquetamiento y segregación. Los
mejores efectos se logran al colgar las piezas de trabajo, aunque esta solución rara
vez se practica debido a la nocividad del
trabajo del operador. Por encima de todo,
la sujeción de las piezas de trabajo tiene
que ser tan estable como sea posible, recta
y transparente tanto para la radiación de
calor como al flujo de gas de temple (Fig.
12.).
Fig. 12. Maquinado, empaquetamiento y segregación de las piezas de trabajo
Fig. 11. Una carga de trabajo con herramientas de
roscado en la cámara del horno SECO/WARWICK
tipo 10.0VPT-4035/36HV con enfriamiento dirigido
de arriba hacia abajo
A pesar de tantas condiciones subyacentes,
el proceso de tratamiento térmico de
herramientas y elementos de acero SW7M
ha sido dominado y aplicado con éxito en
hornos de vacío con temple de gas en muchas otras empresas en el comercio, como
FENES S.A. o WUZETEM.
La Tabla 1 presenta el potencial global de
los hornos de vacío con temple de gas en el
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área de endurecimiento de herramientas
hechas de los materiales para herramientas
más utilizadas.
Los cuatro ejemplos anteriores de aplicaciones de hornos de vacío con temple a gas
de alta presión, no cubren el aspecto completo de dichas aplicaciones. También son
comunes las aplicaciones para la fabricación de herramientas para la formación de
metales ligeros, plásticos, polvos de metal,
cerámica, así como herramientas para la
extrusión y estampado, por ejemplo, las
utilizados en la industria alimentaria, industria de la alimentación animal, y similares.
Tabla 1: Potencial general de hornos de vacío con
temple a gas en el área del endurecimiento de
herramientas
de las tecnologías de tratamiento térmico
atmosférico y de temple en aceite.
Referencias
[1] Xianyao Li, Janusz Kowalewski, “Advanced
High Pressure Gas Quenching Vacuum Heat Treating Furnace and Process for Coining Dies”,
TEMAN
2011,
Singapore,
2-6.05.2011,
www.mint.ca
[2] Entrevista con Jerzy Kreczmer (HT Manager);
Aesculap
Chifa
Sp.
z
o.o.,
05.2012,
www.chifa.com.pl
[3] Entrevista con Dariusz Chwastek (Director
Técnico) y Jan Madzia (Gerente – Departamento de
fabricación de herramientas), Kuźnia Polska S.A.,
maj 2012, www.kuzniapolska.com
[4]
K.
Stanisławczuk,
FANAR
S.A..
"Doświadczenia produkcyjne w technologii
próżniowej obróbki cieplnej HSS”, VIII Seminarium
SECO/WARWICK,
23-24.09.2004,
www.fanar.pl,
www.cantonigroup.com/pl/tools/fenes/,
www.wuzetem.waw.pl
La importancia de hornos de vacío en el
tratamiento térmico aumenta continuamente y el área de los aceros para herramientas
ha sido de vital importancia durante algunas décadas. Esto se debe especialmente a
la neutralidad del vacío como una atmósfera protectora y la calidad ideal de la superficie obtenida en el curso del tratamiento
térmico. Además, hay una separación total
entre la zona de trabajo del horno y el medio ambiente, lo que permite que los procesos de tratamiento térmico precisos y
eficaces se lleven a cabo en varias atmósferas. El avance continuo en la zona de templado a gas de alta presión, que ahora se
acerca a la velocidad del temple en aceite,
convierte a los hornos de vacío en una alternativa sofisticada, económica y respetuosa del medio ambiente para la mayoría
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