Consejos prácticos para mejorar los tratamientos térmicos en herramental

El ejemplo sobre compromiso entre precio y desempeño es bien conocido en la industria de las herramientas de corte: Usted puede comprar una broca por 1 dólar que podrá hacer 5 agujeros en una pieza. O puede comprar “la misma” hecha por otro fabricante que cobra 4 dólares por ella y lograr hacer 50 agujeros. En la mayoría de los casos ambos fabricantes usan el mismo tipo de acero e incluso lucen igual de afiladas. La diferencia, es muy probable que esté en el tratamiento térmico: el proceso mediante el cual, a partir de procesos determinados de calentamiento y enfriamiento se incrementa la dureza y/o la tenacidad de las piezas fabricadas en aleaciones ferrosas. El aumento de estas propiedades básicamente mejora la vida útil de los productos bajo condiciones de uso de desgaste abrasivo, golpes y en ciertos casos a choques térmicos. Es decir, prepara el material para su uso como herramienta / herramental.

Los problemas generados por el tratamiento térmico se vuelven más críticos aún cuando se trata de un herramental complejo y costoso, como un molde de inyección o un troquel, donde las deformaciones o grietas generadas durante el proceso pueden hacer perder grandes inversiones en tiempo y capital.

Este artículo busca generar una serie de consejos clave a la hora de asegurarse que sus productos queden bien tratados, aumentando la vida útil de su herramental y evitando deformaciones y fallas tempranas.

Deformaciones críticas en el material. Cómo evitarlas desde el diseño

La distribución del material debe ser lo más uniforme posible: Incluya filetes (o radios grandes) en la base de chaveteros, dientes de corte y dientes de engranajes para evitar concentraciones de esfuerzos; Las chavetas semicirculares, que permiten el uso de chavetas con esquinas redondeadas, son mejores opciones que chavetas prismáticas.

Evitar cambios bruscos de sección. Esto evitará que haya lugares en el producto que se enfrían mucho más rápido que otros durante el temple generando diferencias críticas en la microestructura del material.

Los agujeros grandes deben centrarse con respecto a los contornos exteriores. Los agujeros ciegos profundos siempre deben evitarse porque causan un enfriamiento no uniforme. Si esto no es posible, el orificio se puede rectificar después del endurecimiento. Las uniones de agujeros perforados en una pieza de acero deben evitarse porque mejoran las condiciones de enfriamiento muy altas e indeseables.

Alternativamente, se deben usar accesorios que permitan que el orificio o el interior de la ranura se enfríen al principio o más rápidamente que el resto de la pieza. Redondee todos los agujeros, esquinas y bordes exteriores.Si las esquinas afiladas son inevitables, proporcione muescas de alivio en lugar de bordes afilados.

Adicionalmente, no olvide hacer un tratamiento de alivio de esfuerzos residuales siempre, después de los procesos de mecanizado de desbaste. Esto prevendrá muchos problemas posteriores de deformaciones o generación de grietas por esfuerzos residuales.

Si las piezas deben llevar una identificación grabada, se recomienda su inserción ya en el componente endurecido, con herramientas que tengan bordes bien redondeados y mínima deformación (profundidad de penetración superficial), y en posiciones alejadas de las zonas de concentración de alta tensión (ángulos reentrantes, curvas, agujeros).

Los troqueles grandes e intrincados se deben componer en secciones, lo que con frecuencia simplifica el tratamiento térmico, dado que permite un intercambio de calor más uniforme en todas las superficies.

Consejos prácticos para evitar la distorsión geométrica de las piezas durante el temple

Cuando la pieza se encuentra en el rango de temperaturas necesaria para su austenización, justo antes del temple, su resistencia mecánica baja dramáticamente y es mucho más fácil que incluso su propio peso cause deformaciones plásticas. Por tanto es crucial mover las partes calientes correctamente soportadas desde el horno hacia el proceso de temple. Fallar en este procedimiento es la causa número uno de distorsión en piezas tratadas. Levantar la pieza por un extremo o por el medio y permitir que la gravedad cause deformación plástica es muy común.

Existen herramientas, similares a las espátulas que se usan para levantar pizza, que son lo suficientemente grandes y robustas como para deslizar piezas hacia adentro y hacia afuera, y es un método ideal para transferir piezas hacia y desde una rejilla de enfriamiento por aire. Si se usa papel/envoltura de acero inoxidable, es imperativo que las varillas de soporte de acero superiores del estante en el horno vayan de adelante hacia atrás para permitir que la envoltura de acero inoxidable se deslice hacia adelante para su extracción.

Las partes templadas en agua y aceite deben ingresar a los líquidos perfectamente verticales y nunca en ángulo o plano, ya que se arquearán, doblarán o presentarán alabeos de manera impredecible.

En el caso en que existan piezas de geometría compleja, es tener un sistema de recirculación del fluido en los tanques de temple, con el fin de mejorar la transferencia de calor en toda las superficies y evitar que haya baja homogeneidad en la microestructura final del material.

Tratamiento criogénico después del revenido para terminar de transformar el resto de austenita retenida en martensita fina. Esto asegurará además que no exista mayor transformación a futuro de la primera en martensita durante la vida útil de la pieza, lo cual genera expansiones volumétricas y deformaciones, que en caso de ajustes de interferencia, pueden incluso causar la falla de las piezas.

Consejo práctico: (Puede diagramarse en forma de cuadro)Un procedimiento que puede llevarse a cabo para el temple de geometrías complicadas es el del Martempering. La idea de este es mantener la temperatura de la pieza después del temple justo por encima de la temperatura de conversión a martensita en un baño de aceite a cerca de 100ºC hasta que todo la pieza llegue a esa temperatura. Luego puede sacarse y permitir su enfriamiento hasta cerca de 50ºC por convección natural al aire antes del revenido. Este procedimiento mejora la tenacidad de la microestructura y es una buena solución para piezas con esquinas afiladas y geometrías complejas con gran tendencia a fallar y a deformarse.

Cómo saber que su pieza está siendo tratada correctamente

1. Documente el procedimiento exacto que desea para sus piezas.

2. Solicite registros grabados con fecha y hora del tratamiento térmico de su producto.

3. En las partes críticas, incluya una muestra de prueba. Podría ser una pieza de repuesto adicional, pero si no, debe ser del mismo lote de acero y en lo posible, más delgada que la pieza que se está tratando. Luego obtenga un examen metalúrgico de la muestra tratada térmicamente con el tamaño de grano especificado.

4. Realice visitas de tratamiento térmico sin previo aviso. Míralos abrir un horno y observa cómo se ve la carga. Hable con los operadores y determine si están bien entrenados.

5. Localice a la persona que ve el piso del taller. ¿Hay un metalúrgico en el piso las 24 horas del día?

(Con información de Grieve):

¿Quiere hacer sus propios tratamientos térmicos? Antes de comprar un horno industrial usado, verifique lo siguiente

Años de uso: Muchas unidades parecen nuevas pero, de hecho, tienen más de 30 años. Si la unidad no se ha utilizado durante mucho tiempo, el aislamiento puede haber absorbido la humedad del aire y la unidad podría estar oxidada de adentro hacia afuera.

Piezas faltantes: A menudo, el equipo usado en el mercado ha sido parcialmente desmantelado antes de ser puesto en una subasta. Es común que falten controles de temperatura, paneles de control completos y quemadores de gas.

Fuente de energía incompatible: Muchas unidades se compran sin verificar que la unidad sea compatible con la fuente de alimentación disponible. Resulta que el voltaje y la fase de diseño no están disponibles en las instalaciones del nuevo propietario. A veces, la conversión de un voltaje o fase a otra es muy costosa, sobretodo para las potencias requeridas en estos equipos. En algunos equipos calentados eléctricamente, podría tener que reemplazar todos los elementos calefactores.

Equipo de seguridad: Cada 3 o 4 años, se reescribe la Directriz 86 de la Asociación Nacional de Protección contra Incendios (En Estados Unidos) que cubre los hornos y hornos industriales. Por esta razón, la mayoría de los equipos usados tienen equipos de seguridad que están desactualizados. Esto es especialmente cierto en equipos a gas. Llevar un horno industrial usado a los estándares actuales puede ser muy costoso.

Uso final: Los equipos están diseñados para una aplicación específica. Muchos hornos industriales usados no tendrán el equipo de seguridad correcto o el equipo opcional requerido para su proceso. Esto es especialmente cierto si el equipo se va a utilizar en un proceso que libera solventes o vapores inflamables. Dichos procesos requieren que el horno sea un horno de Clase A y que tenga ciertos elementos de equipo de seguridad. La reparación, reconstrucción o adaptación de hornos usados para sus propósitos específicos es a menudo costosa y requiere mucho tiempo. Para cuando se completa la transformación, muchas veces el costo ha alcanzado o excedido el precio de equipos nuevos y diseñados correctamente. Por este motivo, se recomienda que evalúe la cotización de un nuevo equipo, diseñado para su aplicación, antes de comprar un horno industrial o un horno industrial usados.

Referencias:

1.ASM International, ASM Handbook -Volume 4 - Heat Treating, 1991

2.ASM International, Metals Handbook Desk Edition, Second Edition, 2001

3.Bryson, William E. Heat Treatment - Master Control Manual, Hanser, 2015