PROLONGACIÓN DE VIDA ÚTIL DE DADOS DE EXTRUSIÓN

PROLONGACIÓN DE VIDA ÚTIL DE DADOS DE EXTRUSIÓN
Daniel Alejandro Treviño Garza (dtrevino15@udem.net)
Francisco Javier Inzunza Zavala (finzunza@udem.net)
Andrés Morelos Zaragoza Lagüera (amoreloszaragoza@udem.net)
Zygmunt Haduch Suski (zhaduch@udem.edu.mx)
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
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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
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