Horno para tratamientos térmicosreini.utcv.edu.mx/bitstream/123456789/1135/4/Horno para... ·...
1
Horno para prácticas de tratamientos térmicos. E. M. Sánchez *, V. Álvarez, J. M. Silverio, A. C. López*. Universidad Tecnológica del Centro de Veracruz/Área Mantenimiento Industrial, Cuitláhuac Ver, México. 1. Resumen En la UTCV, los alumnos del programa educativo de Mantenimiento Industrial, no cuentan con herramientas necesarias para la realización de prácticas en la materia de Ingeniería de los materiales, la cual es de suma importancia para comprender algunas de las propiedades de los materiales. Algo muy importante dentro de los estudios realizados son los tratamientos térmicos, los cuales se conocen como el conjunto de operaciones de calentamiento y enfriamiento, bajo condiciones controladas de temperatura, tiempo de permanencia, velocidad, presión, de los metales o las aleaciones en estado sólido, con el fin de mejorar sus propiedades mecánicas, especialmente la dureza, la resistencia y la elasticidad. Algunos de los tratamientos térmicos más utilizados son: temple, revenido y recocido. El tratamiento térmico temple ayuda a disminuirla tenacidad y aumenta la fragilidad, cuenta con tres fases las cuales involucran temperaturas desde los 700ºC hasta 1250ºC. Otro tratamiento térmico es el revenido el cual es realizado posterior al temple y con este se busca aumentar la tenacidad, para esto necesitamos temperaturas de 200ºC a 300ºC. En el tratamiento del recocido, aumenta la maleabilidad y plasticidad del metal. Como nos damos cuenta es de suma importancia aprender a realizar estos tratamientos térmicos, y es por ello que surge la idea decrear un hornocomo material didáctico para los alumnos y que estos se comiencen a familiarizar con los tratamientos térmicos. Por lo anterior, nuestro principal objetivo es fabricarlo de material resistente con las características específicas y requeridas para su buen uso y funcionamiento óptimo. 2. Metodologia 4. Resultados 5. Conclusiones 6. Referencias Figur a 1. Módulo sensor de temperatura termocupla con arduino. Fig ur a 5. La grá fica mu estr a cu rvas d e d urez a del mat erial ya trata do en funció n de la t emp era tur a, pa ra ace ros al c arb ono con cantidades despreciables de otros aleantes. Debid o a las a ltas temperaturas que se necesitan alca nzar para l as pruebas de tratamiento térmico, se eligió u na termocupl a como sensor de temperatura (figura 1), ya que su rango d e medic ión va desde los 0 a 102 4 grados, con una r esoluci ón de 1 2 bits, 0.25 grados. Una vez real izadas las difere ntes pruebas térmicas (revenido, temple y recocido) se proced ió a tomar cada uno de los materia les resultantes y se les realizó la prue ba de dureza por medio de un “durímetro rockwell” para determinar su % de d ureza con respecto a la variación de temperatura a la que fue sometido. Para el caso del revenido, los datos fueron registrados en la figura 5, en donde se pue de conclu ir que a mayor temperatura la dureza del material disminuye y aumenta su tenacidad. [1] Soria-Aguilar,Ma.de Jesús,(2015) “Efecto del tratamiento térmico sobre las propiedades mecánicas y microestructura de un acero para tubería API 5CT J55”.Ingeniería Investigación y Tecnología,volumen XVI (número 4) [2] Wołowiec, Emilia, (2017) “Tratamiento térmico de aceros para herramientas en hornos de vacío con temple de gas”.Heattreatmentequipment,Volumen 3. [3] (2008) “Nueva alternativa de horno con sales ci rculantes para tratamiento térmico”. Congreso internacionalanualde la SOMIM.ISBN 978-968-9773-03-8 [4]Yanzón Rodolfo,(2015) “Predi cción de la dureza de un acero revenido en función de la temperatura y la composición química”.Revista Iberoamericana de Ingeniería Mecánica.Vol.19,N.o 1,pp.29-39 Seleccionar el mejor acero para un uso determinado es un desafío que enfrenta frecuentemente un inge- niero.Son numerosos los aspectos a tener en cuenta a la hora de elegir el mejor ma terial para una deter- minada aplicación, su costo global, la facilidad de su fabricación, el impacto ambiental que genera y por supuesto su comportamiento frente a las solicitaciones a las que estará sometido el mismo. El comportamiento de un material está fuertemente ligado a sus propiedades mecánicas, las cuales de- penden fundamentalmente de la estructura y una de las variables fundamentales que influye en la estruc- tura que tenga el material, es su composición química.[4] A través de los tratamientos térmicos puede lograrse, con un mismo acero, una amplia gama de propiedades mecánicas debido a las notables transformaci ones que los procesos de calentamiento y enfriamiento ocasionan en la estructura del material.El mé todo utilizado en este proyecto reproduce datos experimentales,con errores que en la mayor parte de los casos son menores a ± 5%,por lo cual podemos considerarlas exitosas yconfiables. Así mismo, con este tipo de sensor se puede hacer la programació n en la tarjeta de adquis ición d e datos Arduino (figur a 2), la cua l es de bajo costo pero bastante efectiva para registrar las medicion es, obteniénd olas en tiempo real y permitiend o el monitore o de la prueba que se está llevando a cabo. Para poder re aliz ar las pru ebas pr imero fue necesario tomar en cuenta el dia grama de equil ibrio o diagram a de fases hierro-carbono (Fe-C) (figura 3), en dond e se represe ntan las transformaciones que sufren los aceros al carbono con la temperatura. [email protected]*, [email protected] *. 3. Pruebas Figur a 6. Horno para tratamientos térmicos Dicho dia grama se obtie ne experimentalm ente ide ntificando los puntos críticos —temperaturas a las que se produce n las suc esivas transformaciones— por diversos métodos. Tomando como bas e lo anteri or, se prosigui ó a rea lizar l as prue bas térmicas correspond ientes: revenido, temple y/o recocido, para lo cual se utilizaron probetas con diferentes porcentajes de carbono para registrar su comportamiento. Figur a 3. Diagrama de cambio de fase del acero Fig ur a 4. Pro beta s con dif ere nte p orce ntaje de car bon o para pruebas de tratamiento térmico. Figur a 2. P rogramación de la termocupla con arduino. Para la prueba d el reveni do, el horno térmico fue calentado por medi o de un soplete a 250ºC, posteriormente se introd ujo la pr obeta de pru eba y se mantuvo en el interior durante 30min. Una vez transcurrido ese tiem po, se retiró el mater ia l del horno p ara proced er a su enfriamiento mediante la aplicación de aire comprimido. Para la prueba de temple y recocido el procedimi ento que se sig uió fue simil ar, teniendo una variac ión e n la temperatura de acuer do a los rangos qu e exige ca da tratamiento térmico, y modificand o el proces o de enfri amiento utilizando aceite o agua según sea el caso. En el caso del temple se observo que la dureza y la resistencia aumentaron de manera prop orcion al al incremento de temperatura al que era sometido e l material. Con lo anterior se tiene que depen dien do de la aplicac ión q ue se l e qu iera d ar al mater ial y l as propie dades mec ánicas q ue se d eseen mo dificar, será como se seleccione el tipo de tratamiento térmico al que será sometido. Cada una de las prueb as mostró un margen de error muy pequeñ o, por lo qu e se pued e confiar en el desempeño del prototipo.
Transcript of Horno para tratamientos térmicosreini.utcv.edu.mx/bitstream/123456789/1135/4/Horno para... ·...
Horno para prácticas de tratamientos térmicos.E. M. Sánchez *, V. Álvarez, J. M. Silverio, A. C. López*.
Universidad Tecnológica del Centro de Veracruz/Área Mantenimiento Industrial, Cuitláhuac Ver, México.
1. Resumen
En la UTCV, los alumnos del programa educativo de Mantenimiento Industrial, no cuentan con herramientas necesarias para la realización de prácticas en la materiade Ingeniería de los materiales, la cual es de suma importancia para comprender algunas de las propiedades de los materiales.Algo muy importante dentro de los estudios realizados son los tratamientos térmicos, los cuales se conocen como el conjunto de operaciones de calentamiento yenfriamiento, bajo condiciones controladas de temperatura, tiempo de permanencia, velocidad, presión, de los metales o las aleaciones en estado sólido, con el fin demejorar sus propiedades mecánicas, especialmente la dureza, la resistencia y la elasticidad. Algunos de los tratamientos térmicos más utilizados son: temple, revenidoy recocido.El tratamiento térmico temple ayuda a disminuir la tenacidad y aumenta la fragilidad, cuenta con tres fases las cuales involucran temperaturas desde los 700ºC hasta1250ºC. Otro tratamiento térmico es el revenido el cual es realizado posterior al temple y con este se busca aumentar la tenacidad, para esto necesitamostemperaturas de 200ºC a 300ºC. En el tratamiento del recocido, aumenta la maleabilidad y plasticidad del metal.Como nos damos cuenta es de suma importancia aprender a realizar estos tratamientos térmicos, y es por ello que surge la idea de crear un horno como materialdidáctico para los alumnos y que estos se comiencen a familiarizar con los tratamientos térmicos.Por lo anterior, nuestro principal objetivo es fabricarlo de material resistente con las características específicas y requeridas para su buen uso y funcionamiento óptimo.
2. Metodologia
4. Resultados
5. Conclusiones 6. Referencias
Figura 1. Módulo sensor de temperatura termocupla con arduino.
Figura 5. La grá fica mu estr a cu rvas d e d urez a del mat erial yatrata do en funció n de la t emp era tur a, pa ra ace ros al c arb onocon cantidades despreciables de otros aleantes.
Debido a las altas temperaturas que s enecesitan alcanzar para las pruebas detratamiento térmico, se eligió una termocuplacomo sensor de temperatura (figura 1), ya quesu rango de medic ión va desde los 0 a 1024grados, con una r esolución de 12 bits, 0.25grados.
Una vez real izadas las diferentespruebas térmicas (revenido, temple yrecocido) se procedió a tomar cada unode los materia les resultantes y se lesrealizó la prueba de dureza por mediode un “durímetro rockwell” paradeterminar su % de dureza conrespecto a la variación de temperaturaa la que fue sometido.Para el caso del revenido, los datosfueron registrados en la figura 5, endonde se puede conclu ir que a mayortemperatura la dureza del materialdisminuye y aumenta su tenacidad.
[1] Soria-Aguilar,Ma.de Jesús, (2015) “Efecto del tratamiento térmico sobre las propiedades mecánicas ymicroestructura de un acero para tubería API 5CT J55”. Ingeniería Investigación y Tecnología,volumen XVI(número 4)[2] Wołowiec, Emilia, (2017) “Tratamiento térmico de aceros para herramientas en hornos de vacío contemple de gas”.Heat treatmentequipment,Volumen 3.[3] (2008) “Nueva alternativa de horno con sales circulantes para tratamiento térmico”. Congresointernacional anual de la SOMIM. ISBN 978-968-9773-03-8[4]Yanzón Rodolfo, (2015) “Predicción de la dureza de un acero revenido en función de la temperatura y lacomposic ión química”.Revista Iberoamericana de Ingeniería Mecánica.Vol.19,N.o 1,pp.29-39
Seleccionar el mejor acero para un uso determinado es un desafío que enfrenta frecuentemente un inge-niero.Son numerosos los aspectos a tener en cuenta a la hora de elegir el mejor ma terial para una deter-minada aplicación, su costo global, la facilidad de su fabricación, el impacto ambiental que genera y porsupuesto su comportamiento frente a las solic itaciones a las que estará sometido el mismo. Elcomportamiento de un material está fuertemente ligado a sus propiedades mecánicas, las cuales de-penden fundamentalmente de la estructura y una de las variables fundamentales que influye en la estruc-tura que tenga el material, es su composic ión química. [4]A través de los tratamientos térmicos puede lograrse, con un mismo acero, una amplia gama depropiedades mecánicas debido a las notables transformaciones que los procesos de calentamiento yenfriamiento ocasionan en la estructura del material.El mé todo utilizado en este proyecto reproduce datosexperimentales,con errores que en la mayor parte de los casos son menores a ± 5%,por lo cual podemosconsiderarlas exitosas yconfiables.
Así mismo, con este tipo de sensor se puedehacer la programación en la tarjeta deadquis ición de datos Arduino (figur a 2), la cuales de bajo costo pero bastante efectiva pararegistrar las mediciones, obteniéndolas entiempo real y permitiendo el monitoreo de laprueba que se está llevando a cabo.Para poder realiz ar las pruebas pr imero fuenecesario tomar en cuenta el diagrama deequil ibrio o diagram a de fases hierro-carbono(Fe-C) (figura 3), en donde se representan lastransformaciones que sufren los aceros alcarbono con la temperatura.
[email protected]*, [email protected] *.
3. Pruebas
Figura 6. Horno para tratamientos térmicos
Dicho diagrama se obtieneexperimentalm ente identificando lospuntos críticos —temperaturas a las quese producen las suc esivastransformaciones— por diversos métodos.Tomando como bas e lo anterior, seprosiguió a realizar las pruebas térmicascorrespondientes: revenido, temple y/orecocido, para lo cual se utilizaronprobetas con diferentes porcentajes decarbono para registrar su comportamiento.
Figura 3. Diagrama de cambio de fase del acero
Figura 4. Pro beta s con dif ere nte p orce ntaje de car bon opara pruebas de tratamiento térmico.
Figura 2. Programación de la termocupla con arduino.
Para la prueba del revenido, el horno térmico fuecalentado por medio de un soplete a 250ºC,posteriormente se introdujo la pr obeta de pruebay se mantuvo en el interior durante 30min. Unavez transcurrido ese tiem po, se retiró el mater ia ldel horno para proceder a su enfriamientomediante la aplicación de aire comprimido.Para la prueba de temple y recocido elprocedimiento que se siguió fue similar, teniendouna variac ión en la temperatura de acuer do alos rangos que exige cada tratamiento térmico, ymodificando el proces o de enfriamientoutilizando aceite o agua según sea el caso.
En el caso del temple se observo que la dureza y laresistencia aumentaron de manera proporcional a lincremento de temperatura al que era sometido e lmaterial.Con lo anterior se tiene que dependiendo de laaplicac ión que se le quiera dar al mater ial y laspropiedades mec ánicas que se deseen modificar, serácomo se seleccione el tipo de tratamiento térmico alque será sometido.Cada una de las pruebas mostró un margen de errormuy pequeño, por lo que se puede confiar en e ldesempeño del prototipo.
