1. INTRODUCCIÓN
La situación económica por la que atraviesa Cuba impone serias limitaciones financieras en la adquisición de materias primas necesarias para el desarrollo industrial. Un alto volumen de estas materias primas se corresponde a aceros, destinados a la fabricación de elementos mecánicos que requieren de tratamiento térmico para un adecuado desempeño (Martínez-Pérez, 2016). En Cuba se producen bajos volúmenes de acero, casi exclusivamente para ser empleados en la construcción civil. Por tanto, el sector metalmecánico utiliza en su totalidad aceros importados, lo que exige una mayor racionalidad en su consumo.
El proceso de tratamiento térmico, al tiempo que es imprescindible para garantizar la calidad de los componentes, es altamente consumidor desde el punto de vista energético. De ello se deriva que los problemas de calidad asociados a este proceso repercuten significativamente en los costos de producción (Novikov, 1986; Martínez-Pérez, 2000).
El control de la calidad de los procesos de tratamiento térmico requiere un alto rigor en la especificidad por las razones siguientes:
Materiales relativamente similares no muestran exactamente el mismo comportamiento y pueden requerir de parámetros de proceso o etapas de tratamiento diferentes.
La dimensión de las piezas para un determinado material influye significativamente en los resultados, e incluso puede conducir a la necesidad de empleo de dispositivos específicos.
Desde el punto de vista de calidad se considera un proceso especial, el cual consecuentemente requiere controles antes, durante y después del tratamiento.
En base a lo planteado, el presente trabajo enfoca su objetivo fundamental hacia el establecimiento de un sistema para la mejora del control de la calidad del proceso de tratamiento térmico de un acero para blindaje.
2. MATERIALES Y MÉTODOS
Los materiales a tratar térmicamente fueron planchas de acero del tipo 30XГCA, con dimensiones de 200 x 200 x 8 mm y 6 mm, cuya composición química se muestra en la tabla 1.
Tabla 1.
Composición química del acero 30XГCA, % en peso (Norma GOST 4543-71, 1971)
La templabilidad del acero fue determinada mediante el ensayo de Jominy, según la norma (ASTM A 255-02, 2002). La medición de la dureza Rockwell se realizó utilizando una carga de 150 kg (ASTM E 18, 2004). Para ello, en la horneada, junto con las planchas, se colocan 2 probetas testigo de 60 x 60 mm para medir la dureza después del proceso de temple.
Para evaluar la mejor variante de tratamiento térmico fueron utilizados dos regímenes (tabla 2). El control del proceso se realizó en base al diagrama de flujo de la figura 1 (Sarduy, 2006; NC ISO 9001, 2015).
Tabla 2.
Regímenes de tratamiento térmico
| Régimen | Temperatura de temple ( 0 C) | Tiempo de permanencia (minutos) | Dureza (HRc) | Temperatura de revenido ( 0 C) | Tiempo de permanencia (minutos) |
|---|---|---|---|---|---|
| A | 890 | 45-90 | 38-42 | 200 | 60 |
| B | 920 | 45-90 | 47-50 | 250 | 60 |
Como se observa, el diagrama de la figura 1 muestra las operaciones que se realizan antes, durante y después del proceso de tratamiento térmico. En este caso el proceso de tratamiento consta de dos etapas, temple y revenido, las cuales fueron realizadas en los hornos que se muestran en las figuras 2a y 2b. Una etapa imprescindible por las dimensiones de las planchas es el enderezado, que se realizó en la prensa que se muestra en la figura 3.
2.1. Etapas del proceso de control del tratamiento térmico.
Antes:
Inspección y ensayo en la recepción de materiales (análisis de la composición química y la templabilidad (Sarduy, 2006)).
Estado de los sistemas de control de temperatura.
Calificación del personal (NC ISO 9001, 2015).
Carta tecnológica. (García-Matamoros, 2012, Céspedes, 2013).
Verificación de la iluminación del local.
Controlar el estado técnico de las grúas viajeras.
Medios de protección, dispositivos de manipulación.
Selección del tipo de horno.
Verificación del aceite (utilizado para el enfriamiento de la plancha), su viscosidad y punto de inflamación.
Seguridad e higiene del trabajo en talleres de servicio.
Figura 1.
Diagrama de flujo de controles del proceso de tratamiento térmico (Céspedes, 2013)
a) Horno de temple, b) Horno de revenido
Figura 2.
Hornos utilizados para el tratamiento térmico.
Durante:
Temperatura del proceso.
Tiempos de calentamiento y mantenimiento.
Velocidades de calentamiento y enfriamiento.
Después:
Inspección visual.
Ensayo de dureza.
Realización de las pruebas correspondientes a la pieza en dependencia de su medio de desempeño.
Figura 3.
Prensa para el enderezado de las piezas
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
La composición química de la tabla 1, se corresponde con la de un acero clasificado como mejorable (Guliaev, 1987). Otras fuentes declaran aceros de similar composición para aplicaciones balísticas (Norma NIJ 0108.01, 2018). El contenido de carbono del acero, junto con los contenidos de silicio, manganeso y cromo, garantizan la presencia de una microestructura que puede alcanzar dureza de 47-50 HR, con buena tenacidad que garantiza su desempeño balístico.
El valor de dureza obtenido para los regímenes de tratamiento de la tabla 2 es de 38-42 HRc para el A y 46-50 HRc para el B. Donde para los resultados obtenidos, el acero B presenta mayor dureza, asociado a la temperatura de temple: Una menor temperatura de temple para el tratamiento A, hace que en el traslado de la plancha desde el horno a la cuba de enfriamiento este se enfríe, aproximándose a la temperatura de la transformación Ar3, y consecuentemente disminuyendo la razón de enfriamiento y con ello la obtención de estructuras de mayor dureza.
Los resultados del ensayo de Jominy son mostrados en la tabla 3 y figura 4. Se observa que la dureza máxima alcanzada a la distancia de la superficie de la probeta de 1,6 mm es de 52 HRc. A partir de 19 mm, desde el extremo templado, la dureza disminuye bruscamente, lo cual significa que se corresponde a un acero de mediana templabilidad (Lobaina, 2012).
Tabla 3.
Dureza en la muestra en función de la distancia Jominy
Para este tipo de acero en particular, el ensayo de templabilidad como control de calidad antes del tratamiento térmico constituye un paso esencial, junto a la composición química (figura 1). Posterior al tratamiento de temple el control de calidad se sintetiza en el valor de la dureza, la cual se mantiene luego del proceso de revenido.
Dadas las especificidades del proceso de tratamiento térmico, el diagrama de flujo de controles de calidad de la figura 1, se demuestra que el resultado es susceptible al efecto de la composición química del acero, la templabilidad, temperaturas de temple y revenido, tiempo de permanencia, tanto antes, como durante y después del proceso. Tomando como base trabajos precedentes en esta temática (Soria-Aguilar y col, 2015, Martínez-Pérez, 2016, García-Cueto, 2016, Juran, 2001, García-Matamoros, 2012), se considera esencial para los resultados de calidad, a la calificación del personal que realiza el proceso de tratamiento térmico.
Figura 4.
Curva de templabilidad para el acero 30XГCA, (Lobaina, 2012)
4. CONCLUSIONES
El diagrama de flujo de controles de calidad considera las variables esenciales antes, durante y después del tratamiento térmico, así como las dimensiones de la plancha. El resultado se valida fundamentalmente por la dureza después del temple y el revenido a 200 y 250 ºC.
La composición química del acero y los resultados del ensayo de Jominy, como aspectos a controlar antes del tratamiento térmico, reflejan que el acero con un carbono equivalente de 0,66 %, es clasificado como mejorable. A partir de 19 mm, desde el extremo templado, la dureza disminuye bruscamente, lo cual significa que se corresponde a un acero de mediana templabilidad, garantizando los requerimientos para el desempeño balístico.
Dentro de los dos regímenes evaluados, el régimen con temperatura de temple de 920 oC y temperatura de revenido de 250 oC con un tiempo de permanencia de 60 minutos, garantiza mejores resultados, a causa de una mayor razón de enfriamiento por una temperatura de la chapa mayor en la entrada a la cuba con aceite. Este tratamiento garantiza una dureza de 46-50 HRc.
Los resultados del ensayo de Jominy, muestran que la dureza máxima alcanzada a la distancia de la superficie de la probeta de 1,6 mm es de 52 HRc.