Predicción de la distorsión en anillos rolados sin costura durante tratamiento térmico de temple y revenido usando simulación numérica

La corrección de una falla por distorsión puede ser compleja ya que involucra efectos microestructurales y esfuerzos residuales que son la causa principal del fenómeno de distorsión. Las fallas por distorsión son serias debido a que pueden conducir a que el producto final no cumpla con los requerimientos dimensionales y no sea aceptado para desarrollar su función. Hoy en día, la problemática es la distorsión que sufren los componentes cuando se les somete a un tratamiento térmico temple, debido a las transformaciones de fase y esfuerzos residuales que se generan por el enfriamiento rápido, así como del tratamiento térmico de revenido donde el exceso de carbono es liberado de la estructura cristalina de la martensita y/o bainita y genera la deformación en la estructura cristalina, con esta problemática es posible hacer uso del modelo de Tratamiento Térmico que contiene el paquete comercial computacional FORGE HPC 2011®, para tratar de reproducir estos fenómenos que se llevan a cabo durante los tratamientos térmicos mencionados, y posteriormente generar información relacionada al tratamiento térmico de revenido, para desarrollar un modelo matemático que sea capaz de predecir las propiedades mecánicas finales. Este trabajo consistió en 3 etapas, la primer etapa se basó en estudiar detalladamente el grado de acero 42CrMo4 al aplicarle un tratamiento térmico de temple, bajo condiciones industriales con la finalidad de generar mayor conocimiento de los fenómenos de distorsión del acero antes mencionado, los cuales muchos autores atribuyen que este fenómeno se presenta con mayor frecuencia durante el temple, debido a la transformación de fase martensita, fase metaestable más dura en los aceros que tienen la capacidad de generar esta estructura cristalina, el experimento se desarrolló tratando térmicamente 16 anillos con las siguientes dimensiones; diámetro exterior = 2631 mm, pared = 164 mm y altura de 188 mm, instrumentados cada componente con 20 termopares tipo “k” de γ mm de diámetro, orientados cada 90°, esta metodología se desarrolló con la finalidad de obtener el máximo dato posible durante temple para posteriormente asociarlo con los coeficientes de transferencia de calor h, y así modelar la distorsión en las piezas utilizando un paquete comercial computacional, así como las condiciones de enfriamiento de la primer prueba experimental, encontrando errores máximos de 10 % comparando los resultados experimentales con los resultados obtenidos de la simulación. La segunda parte del proyecto consistió en una matriz de experimentos de tratamientos térmicos de temple y revenido, donde las variables principales fueron la temperatura y el tiempo, aplicadas en 13 probetas con las siguientes dimensiones; 100 mm X 100 mm X 200 mm, para generar conocimiento de la evolución de la dureza así como las propiedades mecánicas del mismo grado de acero, esta parte del experimento tuvo como finalidad el desarrollo y evaluación de un modelo matemático implementado en computadora que gobierne dicho comportamiento, encontrando errores en el rango de 1 hasta 40 %, comparando los resultados experimentales vs los resultados simulados. La tercera etapa del proyecto consistió en evaluar el grado de acero AISI 8630 y AISI 4340 utilizando el modelo de tratamiento térmico de revenido y datos experimentales de tres tiempos y tres temperaturas para cada uno de los aceros ya mencionados, encontrando que el modelo de tratamiento térmico de revenido no es capaz de reproducir perfiles de dureza en aceros de madia y alta aleación como están clasificados los aceros mencionados, ya que los resultados entre la parte experimental y la simulada no coincide con una línea recta para el acero AISI 8630, se encontró un coeficiente de correlación de 0.87 y errores entre 22 y 44 %, y para el acero AISI 4340, se encontró un coeficiente de correlación de 0.53 y errores entre 17 y 33 %

Desarrollo e implementación de modelo de predicción en procesos de temple por inducción para un acero AISI-SAE 1043

La fabricación de los componentes automotrices engloba una gran cantidad de procesos de manufactura los cuales van desde el proceso de fundición del acero, forjados, mecanizados y tratamientos térmicos, entre otros. Estos procesos se llevan a cabo con el objetivo de lograr que el componente a fabricar cumpla con lo especificado y tenga un buen desempeño en su funcionalidad. La gran mayoría de los componentes son fabricados a partir de aceros aleados, aceros al carbono de baja y media aleación los cuales son posteriormente tratados térmicamente para mejorar sus propiedades mecánicas. Uno de los tratamientos térmicos más utilizados es el temple superficial, el cual tiene como objetivo principal endurecer la superficie del componente para mejorar su resistencia a la flexión, resistencia al desgaste, resistencia al impacto, entre otras propiedades mecánicas. La inducción electromagnética, o simplemente "inducción", es un método de calentamiento de materiales eléctricamente conductores tales como metales. Como su nombre implica, el calentamiento por inducción se basa en las corrientes eléctricas que son inducidas internamente en el material a calentar, es decir, la pieza de trabajo. La experimentación realizada durante este trabajo de tesis fue dividida en 2 etapas: • Proceso de temple por inducción actual (Técnica de escaneo). • Proceso de temple por inducción propuesto (Técnica calentamiento estático). Durante la etapa de experimentación del proceso de temple por inducción actual se llevó a cabo la validación de los resultados de temperatura superficial mediante la toma de video de una cámara termografía realizando un comparativo con los resultados de la simulación de calentamiento. Posteriormente se realizó la simulación del proceso de temple y transformación de fase martensita con su respectiva validación mediante corte y evaluación metalúrgica de muestra, además de la comparación de resultados de durezas obtenidos durante el proceso de temple y los resultados obtenidos en la simulación. La segunda etapa del proceso de temple por inducción fue llevada a cabo con la colaboración del personal del laboratorio de aplicaciones de GH Induction. Durante esta etapa se realizaron 2 propuestas de diseño de bobinas y se realizaron las pruebas de simulación así como las validaciones físicas y metalúrgicas. Previo a las pruebas se realizaron cálculos teóricos para establecer los parámetros iniciales del proceso mediante las gráficas de Lozinski. Los resultados obtenidos durante las etapas de este proyecto fueron satisfactorios. En la primer etapa se logró simular en 2D el proceso actual de temple por inducción obteniendo una aproximación cercana al 90% en los resultados de temperaturas, transformación de fase y dureza. Este modelo y los resultados obtenidos fueron utilizados como parámetros de entrada para la segunda etapa. Durante la segunda etapa los resultados obtenidos durante las simulaciones mostraron que el diseño de bobinas 1 no sería efectivo al momento de calentar la zona del diámetro interno, por lo cual se descartó la fabricación de estas bobinas. La propuesta número 2, incluyó el uso de concentradores de flujo magnético, los cuales colaboran a dirigir el campo magnético en zonas específicas. Los resultados obtenidos durante la simulación 3D de la propuesta 2 fueron satisfactorios por lo cual se decidió fabricar las bobinas y llevar a cabo las pruebas físicas. Los resultados finales obtenidos de transformación de fase comparados con las pruebas físicas tiene una aproximación de 90%. En conclusión, fue posible el desarrollo de un modelo para la simulación del proceso de calentamiento por inducción para componentes automotrices con geometría compleja. Como contribución principal esta modelación validó el diseño de bobinas con las cuales se logró obtener una disminución en el tiempo ciclo del proceso del husillo de 36.4% y un ahorro en la energía consumida de 22.3% medida en la unidad de kWsegundo.