DESEADA

CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN.

La presente invención se refiere al proceso de tratamiento térmico de piezas de aceros de bajo y medio carbón, ya sea inmediatamente después del proceso de forjado en caliente o desde temperatura ambiente.

OBJETIVO DE LA INVENCIÓN.

El objeto de esta invención es el de proporcionar el tratamiento térmico de normalizado inmediatamente después de forjado en caliente de aceros de bajo y medio carbón o el normalizado, recocido o temple desde temperatura ambiente para alcanzar una estructura cristalina deseada a través de control de la velocidad de calentamiento por inducción y el control de la velocidad de enfriamiento.

ANTECEDENTES.

Las piezas forjadas en acero de bajo y medio carbón deben someterse a un proceso térmico de normalizado o recocido para liberar los esfuerzos internos generados por el proceso de forja y recristalizar el grano. Dicho proceso regenera la estructura cristalina adecuada para los procesos posteriores de maquinado y tratamiento térmico. Se conocen procesos de normalizado o recocido que buscan regenerar las estructuras de dichas piezas, como se describen de los siguientes documentos:

El artículo de NOVA SCIENCE PUBLISHERS, INC. De 2011 , en la revista JOURNAL OF MACHUNE AND FORMING TECHNOLOGIES, Volumen 3, Número 1/2 que tiene por título THE ASSESSMENT OF HOT FORGING BATCHES THOUUGH COOLING ANALYSIS, divulga un proceso de enfriamiento controlado en horno de gas para tratar de obtener la estructura Ferrita-Perlita. Dicho proceso consiste en alojar un lote de piezas forjadas en un horno de gas, donde se controla el enfriamiento de las mismas hasta la temperatura ambiente, por lo cual se tiene una rampa de enfriamiento continuo y controlado.

El proceso de normalizado o recocido convencional consiste en que la pieza, una vez forjada se deja enfriar a temperatura ambiente; posteriormente se introduce a un horno de gas en lotes donde se eleva la temperatura hasta austenización; posteriormente se mantiene a dicha temperatura por un periodo en función del espesor de la pieza, de modo que se permita la recristalización de los granos. Una vez transcurrido este tiempo, se enfría de manera controlada hasta la temperatura ambiente en una rampa de enfriamiento al aire quieto o isotérmico. Con este proceso se obtiene una estructura cristalina Ferrita-Perlita Laminar.

Se conocen otros procesos de tratamiento térmico a partir de los documentos JP 2012508132A y JP 2012 44373A.

PROBLEMA TÉCNICO A RESOLVER.

Aun cuando se conocen varios métodos de tratamiento térmico para liberar los esfuerzos internos en las piezas forjadas y recristalizar los granos, dichos métodos presentan el problema variabilidad tanto de la microestructura como de la dureza final, de modo que se originan problemas en los procesos posteriores de maquinado, además de distorsión de las piezas ya maquinadas al someterlas a procesos de tratamiento térmico posteriores como el carburizado y temple, donde se liberan los esfuerzo residuales provocando deformaciones fuera de tolerancia.

En un proceso de normalizado o recocido convencional, aun cuando se alcanza una estructura cristalina deseada, se tiene el problema de la variación en la micro estructura y dureza de las piezas en un mismo lote procesado, ya que el enfriamiento de la pieza después del normalizado o recocido no es homogéneo a través de toda la carga, por lo que depende de las condiciones climatológicas que se presente en la las áreas de tratamiento térmico, de manera que las piezas en el exterior del lote o carga estará en condiciones distintas a las del interior del mismo, lo que reduce la reproducibilidad del tratamiento, además de que los tiempos en cada una de las etapas del proceso: Calentamiento, Permanencia a temperatura de austenización y Enfriamiento son elevados en función al espesor de la pieza, lo que reduce el rendimiento de las líneas de producción que integra el tiempo ciclo total de normalizado o recocido.

Por otra parte, los hornos convencionales de gas utilizados para el proceso de Normalizado y Recocido, obtienen una estructura ferrítica-perlítica laminar, pero no se contempla la solución de la contaminación generada por la quema de combustibles fósiles.

Para el caso de los hornos de enfriamiento controlado aun cuando reducen los tiempos de proceso entre el proceso de forjado y el enfriamiento final para el maquinado de la pieza, no contempla el manejo pieza a pieza exigida en los nuevos procesos de manufactura esbelta. Tampoco soluciona el problema de obtener una estructura ferritica-periitica laminar lo que representa problemas de maquinabilidad y distorsión en los procesos posteriores debido a que la estructura cristalina de la pieza que se tiene después del forjado, que es de grano cristalino grande, lo que infiere una dureza mayor al material.

De acuerdo al diagrama hierro carbono que se muestra en la Figura 1 , la transformación cristalina a austenita se lleva a cabo al pasar de la línea A1 a la línea A3, sin embargo, el método convencional para el normalizado o recocido en gas requiere de mucho tiempo para calentar la pieza desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de austenización, lo cual lleva aproximadamente de 1.5 a 2 horas y mantenerla de 2 a 8 horas. Durante el posterior enfriamiento la pieza toma entre 2 y 3 horas en llegar a la temperatura ambiente. La razón por la cual los tiempos de calentamiento en los procesos de Normalizado o recocido convencional es alta, es por el método de transferencia de calor en la pieza. El normalizado y recocido convencional, utilizan hornos de gas donde la transferencia de calor es por radiación y posteriormente por conducción dentro de la pieza generando tiempos altos de calentamiento.

Los procesos conocidos presentan el problema de una manufactura intermitente entre el proceso de forjado y el proceso de normalizado y recocido, lo que aumenta los tiempos de ciclo, impactando en el incremento de los costos de manufactura y, por último, ocupa un gran espacio disponible para líneas de producción debido al tamaño de los hornos, así como al inventario en proceso requerido.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN.

Para resolver el problema de tiempo ciclo alto en el normalizado o el ciclo de recocido en piezas forjadas en acero de bajo y medio carbón, además de obtener una manufactura esbelta, reducir la contaminación, reducir espacio de trabajo y reducir costos de operación, se ha desarrollado un proceso para enfriar la pieza desde la temperatura de forjado en un sistema de enfriamiento controlado hasta una temperatura por debajo de la línea A1 del diagrama hierro-carbón que se muestra en la Figura 1 , e inmediatamente, la pieza es calentada por un equipo de inducción hasta una temperatura de austenización dependiendo del tipo de acero y, posteriormente la pieza se enfría a través de un sistema de enfriamiento controlado por debajo de la línea A1 del diagrama hierro-carbón. Con lo anterior, se obtiene una pieza con una estructura cristalina Ferrita-Perlita Laminar en el rango de dureza al de un proceso de normalizado o recocido convencional, pero en un tiempo de proceso mucho menor. Tanto la etapa de calentamiento por inducción como en la de enfriamiento se controla la velocidad en que la pieza es calentada y enfriada lo que hace una diferencia significativa entre la invención propuesta y los procesos convencionales, pues en estos últimos se controla la temperatura de las cámaras del horno y no la temperatura de la pieza, ni tampoco se controla la velocidad de calentamiento ni enfriamiento de la pieza. Comparado con el calentamiento convencional, el calentamiento por inducción permite que en segundos se lleve pieza a la temperatura de austenización deseada, para mantener la pieza algunos segundos en la zona de austenización para su posterior enfriamiento; debido a que el enfriamiento es controlado de pieza a pieza el tiempo de enfriamiento es significativamente menor. El calentamiento por inducción se basa en una corriente eléctrica que es inducida internamente en la materia en proceso a ser calentada; esta corriente, llamada corrientes de Eddy, disipa energía y produce calor en la pieza de una manera muy rápida, obteniendo ciclos de calentamiento mucho menores que los procesos por convección y radiación en hornos de gas conocidos. En la Figura 2, se muestra la diferencia significativa de la velocidad de calentamiento entre un proceso convencional en hornos de gas y un sistema de inducción. Este método se integra a un equipo de forja en caliente para obtener un proceso en línea y eliminar los problemas antes mencionados. No obstante, el proceso puede realizarse independientemente con pieza a temperatura ambiente o posterior al proceso de forjado, donde puede obtener estructuras cristalinas logradas por diversos procesos térmicos, tal como normalizado, recocido, recocido isotérmico y temple.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS.

Figura 1.- Muestra un diagrama hierro carbón;

Figura 2.- Muestra el diagrama de comparación de tiempos por calentamiento mediante horno de inducción y horno de gas;

Figura 3.- Vista esquemática de un sistema para normalizado de piezas acero forjadas en caliente de acero de medio y bajo carbón;

Figura 4.- Muestra la vista esquemática de la etapa de enfriamiento controlado y calentamiento por inducción;

Figura 5.- Muestra la vista esquemática de la etapa de enfriamiento controlado; Figura 6.- Diagrama comparativo de los diferentes procesos de tratamiento térmico, donde se observa el tiempo de tratamiento de la invención propuesta en la presente solicitud.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN.

La presente invención, consiste de un proceso y sistema para tratamiento térmico de piezas (50) forjadas en caliente, de acero de medio y bajo carbón, el cual en una primer modalidad se realiza en un sistema de forja que comprende un homo de calentamiento (no ilustrado) de los conocidos en la técnica, un equipo de forja (2) de las conocidas en la técnica que puede ser un martillo, prensa o equipo de rolado de anillo conocido como "RING ROLLING" además un primer túnel de enfriamiento controlado (10), un homo de inducción (20), un segundo túnel de enfriamiento controlado (30), como se observa en la Figura 3. El proceso de forjado de una pieza se lleva a cabo mediante el calentamiento de un tocho (no ilustrado) en un homo de calentamiento (no ilustrado). Para obtener una pieza (50) de un acero aleado de medio bajo carbón se lleva a una temperatura de forjado en caliente, que depende del tipo de acero. Deformar la pieza (50) que se ha calentado a una temperatura deseada, en un equipo de forja (2) el cual cuenta con capacidad para deformar un tocho e inferir una nueva forma al material que recibe. Una vez obtenida la forma deseada, la pieza (50) presenta esfuerzos internos y estructuras cristalinas no deseadas, los cuales deben liberarse y recristalizarse para evitar la deformación indeseada en procesos posteriores a los que la pieza será sometida, tales como el maquinado y tratamiento térmico posterior, por lo tanto, se lleva a cabo un proceso de normalizado o recocido para obtener una estructura cristalina deseada, específicamente, Ferríta-Perlita Laminar.

El proceso de la presente invención consiste en que una vez que cada pieza (50) abandona una prensa de forja (2) se ingresa a un primer túnel de enfriamiento controlado (10). En este túnel la pieza (50) es enfriada en forma controlada hasta una temperatura por debajo de la línea A1 del diagrama Hierro-Carbón que se observa en la Figura 1 , que depende del tipo de acero de la pieza (50), en una velocidad en relación al en el tiempo ciclo de forjado. Acto seguido, la pieza (50) se lleva al horno de inducción (20) para elevar una vez más la temperatura de la pieza (50) hasta la temperatura de austenización específica, que depende del tipo de acero. La rampa de calentamiento en el horno de inducción (20) se llevará en etapas que depende del tipo de acero y de la geometría de la pieza; alcanzada la temperatura de austenización la pieza (50) se conduce hacia el segundo túnel de enfriamiento controlado (30) hasta que la pieza (50) llega a una temperatura por debajo de A1 del diagrama Hierro Carbón.

El sistema comprende un primer túnel de enfriamiento controlado (10), que se observa en la Figura 4, para bajar la temperatura de forja de la pieza (50) a una temperatura por debajo de la línea de transformación A1 del diagrama hierro carbón, que de manera ideal es un túnel de tipo carrusel, en el cual se tiene un cámara de enfriamiento (11), un arreglo de extractores (12) ubicados a lo largo del túnel de enfriamiento (10), un transportador de enfriamiento (13) en el interior del túnel del enfriamiento controlado (10) para llevar la pieza (50) a lo largo de la cámara de enfriamiento (11), un primer arreglo de instrumentos de medición de temperatura de pieza (14) que pueden ser pirómetros se ubican a lo largo de la cámara de enfriamiento (11) para conocer las temperaturas de cada pieza (50) y retroalimentar la operación de los extractores de calor (12), para con ello asegurar que la temperatura de la pieza (50) al final de túnel de enfriamiento (11) es la correcta por debajo de la línea A1 del diagrama Hierro Carbón. La pieza (50) proveniente de la prensa de forjado (2) se recibe en un primer transportador de enfriamiento (13) y recorre una distancia de la cámara de enfriamiento (11) en un tiempo deseado en función de la temperatura, peso de la pieza y tiempo ciclo de forjado. Cada uno de los pirómetros de un primer arreglo de instrumentos de medición de temperatura de pieza (14) se ubican a lo largo de la cámara de enfriamiento (11) para conocer las temperaturas de cada pieza y retroalimentar la operación de los extractores (12) para extraer más aire caliente o menos, según se desea y con ello asegurar que la temperatura de la pieza (50) al final de túnel de enfriamiento (11) es la correcta por debajo de la línea A1 del diagrama Hierro Carbón.

Posteriormente, cuando la pieza (50) alcanza la temperatura correcta en el primer túnel de enfriamiento (11 ), sale hacia un primer transportador intermedio (15) que lleva la pieza (50) desde el túnel de enfriamiento controlado (10) hasta un horno de inducción (20), para elevar nuevamente la temperatura de la pieza (50) hasta una temperatura de austenización, que depende del tipo de acero. El sistema de calentamiento por un horno de inducción (20) mostrado en la Figura 4, consiste de un transformador (21), un generador de baja frecuencia (22), un juego de bobinas (23), un segundo arreglo de pirómetros (24) que están ubicados al inicio y final de del trayectoria calentamiento de la pieza (50) y un transportador de brazos (25) de los conocidos como "walking beam", o un robot adecuado para el manejo de materiales al interior del horno de inducción (20), con el cual se transporta la pieza (50) en cada una de las bobinas (23) del horno de inducción (20). Las bobinas (23) se encuentran alineadas al transportador de brazos (25) y cada una representa en una etapa de calentamiento, de manera que la pieza (50) proveniente del primer túnel de enfriamiento controlado (10) es nuevamente calentada por inducción hasta la temperatura de austenización en varias etapas, en una rampa de calentamiento definida para cada tipo de acero, peso de la pieza (50) y geometría de la misma. Cada etapa de calentamiento por inducción se lleva a cabo en el juego de bobinas (23) para crear una rampa de calentamiento especificada para cada tipo de acero y peso de pieza, lo cual permite alcanzar la solubilidad del carbón en la zona austenitica. El movimiento de la pieza (50) dentro del juego de bobinas (23) es realizado por transportador de brazos (25) el cual está diseñado en función de la geometría de la pieza y el diseño de la bobina.

El horno de inducción (20) calienta la pieza (50) a la temperatura de austenización correcta para cada tipo de acero y el transportador de brazos (25) conduce la pieza (50) hasta el segundo túnel de enfriamiento controlado (30).

Cuando la pieza alcanza la temperatura de austenización deseada en el sistema de calentamiento del horno de inducción (20), el transportador de brazos (25) envía la pieza al segundo túnel de enfriamiento controlado (30).

El segundo túnel de enfriamiento controlado (30), mostrado en la Figura 5 consiste en una cámara con un recubrimiento de aislante (32) y un transportador de banda (31) para mover a una velocidad determinada el material en proceso a lo largo del segundo túnel de enfriamiento controlado (30); un arreglo de calentadores (33), que pueden ser resistencias eléctricas o bobinas de inducción o quemadores, que junto con un segundo arreglo de instrumentos de medición de temperatura de pieza (34), que puede ser un tercer arreglo de pirómetros, controlan la velocidad de enfriamiento de la pieza, de tal forma que se logra la estructura cristalina deseada; la velocidad de enfriamiento de la pieza (50) y de la temperatura deseada de la misma, a la salida del túnel de enfriamiento controlado (30) dependerá de la velocidad del transportador de banda (31). Una vez que la pieza (50) alcanza la temperatura de austenización deseada en el horno de inducción (20) es enviada al transportador de banda (31) para enfriar la pieza hasta la temperatura por debajo de A1 del diagrama Hierro-Carbón y llevar a cabo la transformación a una estructura cristalina ferrita-perlita laminar y una dureza deseada en una velocidad de enfriamiento definida por la velocidad del trasportador de banda (31), aunque también pude ser de cadena con ganchos o uno adecuado a la geometría de la pieza.

En una segunda modalidad de la presente invención, se tiene una variante para tratar térmicamente las piezas (50) desde una temperatura ambiente, al encontrarse en patios de almacén temporal, en la cual, se introduce al horno de inducción (20) de forma manual o automática y seguir las etapas para su tratamiento térmico descrito con anterioridad. En caso de optar por tratar piezas (50) desde una temperatura ambiente, el proceso permite además de realizar el tratamiento de normalizado, realizar procesos tales como recocido y temple, en el cual se obtienen las diferentes estructuras cristalinas logradas por dichos tratamientos. Las piezas (50) pueden proceder de un proceso de conformado aleatorio, tal como troquelado o estampado.