Para conseguir distintos fines a través de la aplicación de tratamientos térmicos, existe un conjunto muy variado de procesos y de distintas combinaciones de los mismos. Esta gran diversidad, no solo en tipos de tratamiento, sino en aleaciones o en exigencias técnicas y caracterización mecánica a conseguir, exigen a la industria mantenerse al día en términos de conocimientos avanzado y nuevas soluciones. Así, estar al tanto de la multitud de opciones que el mercado ya está aplicando se antoja fundamental para lograr los efectos deseados.
Con la idea de reunir a empresas de este sector para compartir y conocer de primera mano algunas de estas innovaciones, el INSTITUTO DE FUNDICIÓN TABIRA, el Centro de Investigación Metalúrgica IK4-AZTERLAN y TRATER PRESS organizaron durante el día 23 de noviembre de 2017 el III Fórum Técnico de Tratamiento Térmico, un punto de encuentro para profesionales, técnicos y equipos de investigación especializados en los últimos avances e innovaciones en los distintos ámbitos de la industria del tratamiento térmico (tecnologías de temple, tratamientos superficiales, caracterización, medición, recubrimientos…). A través del programa técnico presentado en este Trater Day 2017, cerca de 100 profesionales de empresas referentes del sector de los tratamientos térmicos y representantes de sectores estratégicos que los aplican, pudieron conocer algunas claves que permiten avanzar una industria más competitiva en este relevante ámbito.
El evento contó con la colaboración de técnicos y especialistas de primer nivel de las empresas TALENS SYSTEMS S.L. (ETXE-TAR Group), CEIT-IK4, QUINTUS TECHNOLOGIES, A3TS Assoc. de traitement thermique et de traitement de Surface, OERLIKON BALZERS Spain, GHI Hornos Industriales, ONDARLAN INDUCTOTHERM GROUP IBERIA y TORRAVAL COOLING, S.L., así como del Centro de Investigación Metalúrgica IK4-AZTERLAN y de TRATER PRESS.
Tras la correspondiente bienvenida a los asistentes por parte de José Javier González, Secretario General del Instituto de Fundición TABIRA, se dio inicio al programa técnico del Fórum. La primera de las ponencias compartidas corrió a cargo de la compañía TALENS SYSTEMS S.L., perteneciente al Grupo ETXE-TAR. El ponente, Juan Isaza (Business Development Manager), abordó la “Tecnología láser aplicada al tratamiento superficial térmico: aplicaciones avanzadas en Automoción y otros campos”.
El bloque inicial de su presentación técnica abordó las características tecnológicas del tratamiento superficial térmico por láser. La tecnología láser se puede aplicar para tratar componentes diversos en una amplia gama de industrias, siendo adecuada para la modificación superficial de geometrías complejas, logrando propiedades que mejoran la función de dichos componentes. Algunos de los beneficios comentados fueron: proceso muy preciso, muy baja distorsión, profundidad y anchura de endurecimiento ajustable, independencia sobre la geometría (no hay elementos de contacto), haz ajustable durante el proceso, basado en CAD/CAM, sin necesidad de medio de enfriamiento medio o atmósfera controlada.
Durante esta parte de la ponencia, se fueron revisando desde la relación entre la densidad energética y el tiempo de interacción para distintas técnicas (indicando para una de ellas su impacto), hasta distintas herramientas de proceso existentes.
Apoyado en videos explicativos y numerosos datos técnicos, se detallaron a continuación las ventajas que el tratamiento térmico por láser tiene sobre el método de calentamiento por inducción en los cigüeñales, en términos de calidad final de la pieza, eficiencia, flexibilidad y sostenibilidad. Se argumentó, mediante dichos datos, cómo componentes de motor como cigüeñales y árboles de levas pueden tratados térmicamente y de forma local mediante láser, definiendo áreas específicas a ser afectadas y evitando deformaciones térmicas.
A continuación, el ponente abordó la utilización del láser en componentes ligeros, detallando las claves técnicas de los resultados obtenidos tras su aplicación en distintas partes del Body in White (BIW).
El Fórum Técnico continuó a través de una presentación de Iñigo Iturriza, Responsable del Grupo de Fabricación Aditiva y Láser en el centro CEIT-IK4, que trasladó en su conferencia contenidos sobre el “Prensado isostático en caliente (HIP) como tratamiento térmico en componentes de Fabricación Aditiva”. La suya fue la primera de dos presentaciones consecutivas que a lo largo de la mañana permitieron a los asistentes conocer las claves y las aplicaciones de este tipo de tratamiento.
Tras una introducción a las claves de la Fabricación Aditiva, se abordó la descripción del HIP, un tratamiento térmico que combina alta presión isostática (100-200 MPa) con altas temperaturas (hasta 2.000 °C). El ponente describió algunos de los usos más comunes del HIP, como son principalmente su aplicación a componentes fundidos para eliminar porosidades internas, o en procesos de unión por difusión para unir materiales similares o de diferentes naturalezas. Al final de un proceso de Fabricación Aditiva se buscan piezas que no tengan defectos estructurales y que sí mantengan bajas tensiones residuales, homogeneidad microestructural y propiedades mecánicas isotrópicas. La pregunta es si el HIP puede ayudar a obtener este resultado.
Así, se recorrieron diversos casos de estudio, analizando las ventajas y desventajas de la aplicación de HIP en todos ellos, mostrando datos sobre la influencia en microestructuras, los posibles riesgos y el efecto en propiedades mecánicas. También se realizaron consideraciones sobre la estrategia a seguir con el tratamiento HIP en correspondencia con los procesos de Fabricación Aditiva: dado que el HIP es un paso más en la cadena de valor, se trata de definir el mejor proceso combinado para que sea más eficiente.
Como conclusión, y respondiendo a la pregunta de si aplicar HIP o no que lanzó el ponente al inicio de su exposición, la respuesta es sí para la mayoría de los casos, ya que elimina porosidades y roturas internas, reduce tensiones residuales y anisotropía, y en general, mejora las características mecánicas. En todo caso, es necesario más trabajo: cada caso debe ser analizado, los parámetros HIP tienen que ser optimizados y estandarizados, y, aunque el tratamiento HIP puede mejorar los procesos de Fabricación Aditiva, ésta debe ser desarrollada de una forma integral, diseñando cada paso teniendo en cuenta cuál viene después.
La segunda de las ponencias centrada en el tratamiento HIP fue desarrollada por Mats Sjöstedt, Area Sales Manager AMD de la compañía QUINTUS TECHNOLOGIES. En esta ponencia se abordó este tratamiento desde el análisis de “Equipamiento tecnológico avanzado para aplicaciones HIP en tratamiento térmico”.
Se introdujo la charla con una explicación técnica complementaria sobre el funcionamiento del HIP, centrada en esta ocasión en una descripción funcional de los equipamientos.
En comparación con un post-proceso de tratamiento térmico tradicional (tiempos de entrega largos, menor control del proceso, no optimizado, alto costo), se volvió a hacer hincapié en cómo el tratamiento HIP presenta una serie de beneficios: 100% de densidad teórica (se cierran todos los poros y grietas), propiedades del material superiores (fatiga y ductilidad), menor dispersión en las propiedades del material (predicción de la vida útil del componente, diseño de bajo peso), disminución en la pérdida de chatarra (no hay defectos en las pruebas NDT, sin defectos visibles dentro de la pieza durante el mecanizado), entre otros.
El ponente abordó a continuación los usos más comunes del HIP en diversos mercados, como el Aeroespacial, Automoción, Energía (Nuclear, Turbinas de gas industriales, Oil & Gas) o Médico. En su exposición recorrió dichas industrias, detallando para cada una de ellas aquellas áreas en las que el HIP se está utilizando, así como las piezas que habitualmente se tratan, explicando los resultados obtenidos. Se pudo comprobar, por tanto, como el HIP ya se está utilizando con éxito en un amplio número de industrias y procesos.
Por último, se resaltaron las tendencias actuales en cuanto a equipamientos HIP, que buscan ser cada vez más compactos y efectivos (mejorando tiempos de ciclo, ratios de enfriamiento y coste operacional por ciclo) y que buscan desde sistemas versátiles de tamaños pequeños (cargas de entre 10 y 600 Kg, rango de temperatura de 2.000 °C), hasta grandes (cargas superiores a 15.000 Kg, rango de temperatura entre 1.000 y 1.400 °C). Se indicó que la tendencia actual es que un equipo HIP compacto pueda dar servicio a entre 15 y 20 máquinas de Fabricación Aditiva.
El segundo bloque del encuentro técnico se inició con una presentación del Centro de Investigación Metalúrgica IK4-AZTERLAN. Fernando Santos, técnico del área de Ingeniería, I+D y procesos metalúrgicos, compartió una ponencia técnica sobre las “Potenciales aplicaciones en tratamiento térmico de la modelización de la formación y disolución de fases”.
En la actualidad existen distintas bases de datos termodinámicas y software de cálculo, tales como Thermo-Calc, FactSage, JMATPRO, PANDAT etc., que permiten predecir la estabilidad de fases en aleaciones comerciales en condiciones de equilibrio. Estos desarrollos software se basan en el método Calphad (CALculation of PHAse Diagrams), un método semi-empirico que modeliza secuencialmente los sistemas binarios o ternarios a sistemas de mayor orden.
El ponente desarrolló las características del método Calphad, indicando inicialmente cómo en los últimos 150 años se han ido acumulando datos experimentales que nos permiten tener una gran cantidad de diagramas binarios y ternarios. Estos datos son útiles para determinar las condiciones de procesado (temperatura, presión y composición química) para conseguir una determinada microestructura.
La presentación ahondó en el software Thermo-Calc, del que se detallaron las características de sus distintos módulos. En conjunto, esta herramienta permite el cálculo termodinámico y de diagramas de fases en sistemas multicomponentes, la simulación de transformaciones de fase controladas por difusión, y la simulación de la cinética de precipitación 3D de multi-partículas por difusión. Se explicó especialmente en detalle el módulo PRISMA, que desde determinados inputs (datos termodinámicos y cinéticos, composición de la aleación, …), permite obtener datos como la distribución del tamaño de partículas, densidad numérica, radio medio de partícula, fracción de volumen, composición de la matriz y partícula, tasa de nucleación, TTT o CCT.
Finalmente, se mostraron numerosos ejemplos prácticos, como la disolución de carburos para AISI 304H con adiciones de Nb, superaleación 718, tratamiento no isotérmico en aleación RENE 77 u homogenización en Nimonic 105, en los que se puso de manifiesto el alcance de estas herramientas termodinámicas.
La siguiente ponencia del Fórum de Tratamiento Térmico fue realizada por André Mulot, Formador en A3TS (Association de traitement thermique et de traitement de surface), quien compartió con los asistentes las “Causas y soluciones en deformaciones producidas por el tratamiento térmico en piezas cementadas”, a modo de síntesis de los conocimientos actuales en el campo del temple de piezas de cajas de cambios cementadas y templadas.
Endurecer una pieza mediante el temple ocasiona deformaciones, que en la mayoría de los casos pueden ser minimizadas y controladas. No todas las deformaciones observadas después del temple provienen forzosamente del tratamiento térmico. El ponente detalló cómo las operaciones anteriores al tratamiento térmico influyen en la generación de deformaciones y cómo resulta difícil predecir su origen.
Dependiente de las características de la pieza (forma, peso) se necesita un buen acero caracterizado con su templabilidad que pueda ser representada con el diagrama TRC. La velocidad de temple no es la misma entre la parte delgada, la parte gruesa, la superficie y el corazón de la pieza, así como entre la pieza en el corazón de la carga y las situadas en los extremos de esta. Se revisó la diferencia sobre ciertas deformaciones en árboles cementados y templados con aceite, en comparación con gas a alta presión.
A modo de conclusión, se remarcó que cuando se necesita templar piezas después de la cementación, nos enfrentamos a las deformaciones. Para reducir las deformaciones que tienen como origen el temple, podemos elegir unos parámetros: por un lado, el mejor acero que permite conseguir las características mecánicas adecuadas con el diagrama TRC adaptado, dependiente de la pieza (forma, peso, …) y el medio de temple correspondiente; Por otra parte, templar con gas a alta presión, porque tenemos parámetros para optimizar la velocidad del enfriamiento (el tipo de gas, la presión, la velocidad del gas, la dirección del gas, los soportes, el temple interrumpido, sin olvidar la temperatura del gas).
Se recuerda finalmente que templar con gas es muy caro, pero con el objetivo de eliminar la rectificación, el balance económico podría ser positivo.
El programa técnico de la mañana se cerró con una ponencia de Juan Carlos Cengotitabengoa, Sales Manager de la compañía OERLIKON BALZERS SPAIN, que compartió con la audiencia una presentación sobre “Soluciones de superficie avanzadas para utillajes y componentes en la industria de Automoción”.
En su introducción a la presentación, el ponente abordó los requerimientos que en el contexto actual se están produciendo en el sector de Automoción, como la seguridad en las carrocerías, la reducción de emisiones de CO2 y la reducción de consumo. En el incremento de la seguridad juega un papel importante la utilización de distintos materiales en la carrocería, como aceros de alta resistencia, aluminio, fibras de carbono. La utilización de estos nuevos materiales conlleva también una reducción de peso que afecta positivamente a la reducción de consumo de combustible. Por otro lado, el incremento de la eficiencia energética del sistema de potencia redunda en reducción de consumo.
El ponente realizó un recorrido técnico por distintos desarrollos de nuevos tratamientos y recubrimientos de superficie que permiten, por un lado, incrementar la eficiencia energética de los sistemas de potencia mediante la reducción de pérdidas por rozamiento y, por otro, la optimización de los útiles de conformado para la fabricación de carrocerías más ligeras y seguras.
En cuanto a la aplicación en componentes, y de cara a conseguir los retos anteriormente señalados, se indicaron algunas soluciones, como la nitruración por plasma, los recubrimientos finos y la proyección térmica. El ponente fue desglosando las claves técnicas de distintas soluciones para componentes de precisión y elementos de diseño, como inyectores diesel, sistemas common rail, tren de válvulas o componentes recubiertos del motor, entre otros. También se abordaron aplicaciones en útiles de conformado, realizando primero una introducción a las carrocerías multimaterial-multiproceso, y detallando después las claves de distintas soluciones para conformado de acero de alta resistencia, recortado de chapa de aluminio o en piezas de la carrocería del vehículo.
La tercera sesión de trabajo de este Fórum Técnico se inició con una nueva ponencia en la que se pudieron compartir “Herramientas para la correcta definición de atmósferas en hornos de tratamiento térmico”, presentación realizada por Garikoitz Artola, técnico del área de Ingeniería, I+D y procesos metalúrgicos del Centro de Investigación Metalúrgica IK4-AZTERLAN.
En su presentación, el ponente profundizó en los diagramas de Ellingham, herramienta de análisis que muestra la dependencia de la estabilidad de los compuestos con la temperatura y la atmósfera de los hornos. Se utiliza generalmente para representar las energías de formación de los óxidos, carburos, nitruros y sulfuros en función de la temperatura. Como se señaló, el uso de estos diagramas data de 1944, aunque sigue siendo una herramienta poco conocida y utilizada.
Se detalló cómo el diagrama se utiliza en metalurgia para representar la afinidad existente entre los distintos metales y el oxígeno, permitiendo saber en qué rango de temperatura es estable un óxido metálico. A cada temperatura, el compuesto más estable es el que se encuentra en la posición más baja del diagrama. Se explicó la aplicación directa a la desoxidación (Ca – Al -Si), la identificación de metales reducibles a 1 atm con CO y H2, y los puntos de riesgo de deterioro de elementos refractarios. También se compartieron las aplicaciones de este tipo de análisis.
A continuación, se introdujo la modificación de Richardson, con la incorporación del nomograma para estudiar condensar presiones parciales en el diagrama de Ellingham, y que permite visualizar el efecto de procesos como aplicar vacío o realizar diluciones de la atmósfera. También se ahondó en la definición de atmósferas reductoras con un ejemplo de tratamiento de recocido para cobre y otro de cementación.
A modo de conclusión, los diagramas de Ellingham suponen una herramienta sencilla que ayuda a interpretar la interacción atmósfera-metal durante el tratamiento térmico. Son de gran utilidad en la definición de atmósferas reductoras, ya que permiten identificar reacciones energéticamente imposibles, facilitan la elección de las temperaturas de proceso, presiones parciales de las especies oxidantes, como son el oxígeno, el dióxido de carbono y el vapor de agua y predicen comportamientos que pueden ser alterados por la cinética del tratamiento térmico.
La segunda ponencia de la tarde fue desarrollada por la compañía GHI Hornos Industriales, a través de su Director Técnico, Ricardo Herrán. Esta presentación, centrada en la perspectiva de innovaciones en equipamientos, abordó nuevos “Avances tecnológicos en hornos de tratamiento térmico”.
La ponencia se inició con una explicación de las claves técnicas de los procesos de tratamiento térmico que se producen en este tipo de instalaciones, prestando especial atención al tratamiento de recocido de austenización incompleta. Además de recomendaciones para este tipo de tratamientos, se explicaron aspectos como la decarburación superficial o las atmósferas protectoras. Seguidamente, se abordaron conceptos de eficiencia energética, uniformidad de calentamiento, enfriamiento progresivo y controlado, estanqueidad y mínimo consumo de atmósfera, uniformidad de resultados (dureza y estructura) o captación de datos.
La ponencia se centró a continuación en abordar los nuevos desarrollos en herramientas 4.0 en el ámbito de los hornos industriales, detallando las características del denominado Smart Furnace 4.0. El ponente detalló inicialmente la necesaria infraestructura de captación y monitorización, base sobre la que se soporta la filosofía de trabajo de estos nuevos equipamientos avanzados. Partiendo de un horno sensorizado y utilizando equipos de captura locales y servidores centrales para el almacenamiento de datos, este Smart Furnace es capaz de ofrecer una visualización en tiempo real de su funcionamiento, así como una serie de servicios añadidos al funcionamiento tradicional.
Las ventajas de este nuevo tipo de hornos son múltiples, siendo las siguientes algunas de las más destacadas: permiten a técnicos con experiencia consultar múltiples instalaciones, ofrece soporte para la adecuada gestión de alarmas e informes, los usuarios pueden desarrollar un interesante análisis histórico de fallos, dota al sistema de las necesarias herramientas para una adecuada escalabilidad. Finalmente, el ponente indicó que algunos de los servicios añadidos son: informes de estado de máquina (KPIs, OEE, consumos…), análisis de anomalías (origen, consecuencias, correcciones…) o asistencia técnica (propuestas de mejora de uso, de mejora de proceso, de revisiones preventivas…).
El programa técnico de la jornada continuó con una presentación centrada en la “Eficiencia en un proceso industrial intensivo en consumo energético como la forja (eficiencia en el calentamiento anterior a la estampación y en el tratamiento posterior a la misma)”. Esta presentación fue realizada por Eugenio Pardo, Responsable del Dpto. de Calentamiento por Inducción y Forja de la compañía INDUCTOTHERM GROUP IBERIA ONDARLAN.
El ponente comenzó contextualizando un mercado cada vez más competitivo, con reducción de costes, que requiere de un sistema energético cada vez más eficiente, con nuevas directivas que marcan unos horizontes de reducción de consumo del 12% y de energías fósiles del 22% para el año 2023. En este entorno, señaló cómo el coste de la energía en los procesos de forja es cercano al 11% del coste de producción (a modo de ejemplos, se indicó que el consumo en un horno de gas es de 1.800KWh/T, el consumo medio en un horno de inducción es de 400 KWh/T y el consumo en un Tratamiento Térmico puede ser del orden de 500-700 KWh/T).
Al hacer una segmentación del gasto energético, se mostró cómo el calor residual de los hornos representa la mayor cantidad de energía perdida en la planta, pero también cómo existe un potencial de mejora del orden del 10% al 15%.
En la búsqueda de esta mejora, surgen las siguientes acciones posibles: aprovechar el calor residual a través del circuito de agua de refrigeración o actuar sobre los hornos existentes. Para detallar correctamente la primera, se explicaron las claves técnicas generales del funcionamiento de un horno de inducción.
En cuanto a las acciones posibles sobre los hornos, el ponente detalló el uso de posibles herramientas de análisis de eficiencia, así como la utilización de hornos modulares, tanto realizando adaptaciones a diferentes productividades manteniendo eficiencia (analizando control de proceso, distorsión de armónicos, arranque…, pudiendo conseguir un 25% de mejora), como utilizando software de “Espera” y “Arranque en Frío” (se analizó tanto la espera estática como dinámica).
La última ponencia del día la realizó la compañía TORRAVAL COOLING, S.L., que a través de José María Fernández Cubero, Export Sales Manager, abordó los “Factores de impacto de la refrigeración por agua en los tratamientos térmicos”.
La introducción a esta presentación abordó los distintos métodos de refrigeración de un fluido, caracterizando su fiabilidad y rendimiento. Este ámbito técnico proporciona soluciones personalizadas a la industria y está en continuo estudio y diseño de modelos y soluciones tecnológicamente innovadoras, basadas en el ahorro energético y en el respeto por el medio ambiente. Dentro de los posibles sistemas existentes, el ponente abordó la combinación entre sistemas abiertos/cerrados, e instalaciones evaporativas/no evaporativas.
Las torres de circuito abierto son equipos de refrigeración en los que existe un contacto directo entre el agua a refrigerar y el aire que circula en contracorriente a través de la torre en el relleno. El agua transfiere energía calorífica al aire mediante evaporación hasta llegar a saturarlo. EL ponente detalló las claves técnicas de las torres de tiro natural, forzado e inducido.
En las torres de circuito cerrado, el fluido que necesitamos refrigerar (generalmente agua o agua con glicol) debe mantener sus propiedades químicas y físicas constantes a lo largo del tiempo y sin ser contaminado por elementos externos. Se detalló el funcionamiento de los equipamientos de este tipo, así como las variantes no evaporativas como aero-refrigeradores, aero-condensadores o adiabáticas.
Finalmente, el ponente realizó una comparativa entre los distintos sistemas, valorando para todos ellos conceptos como inversión, gasto en electricidad, agua/tratamiento, mantenimiento, ruido, implantación, posibilidad de aguas sucias o tratamiento contra la legionella. A través de dicha comparativa, se pudo visualizar el mejor equipamiento para cada necesidad.
A modo de conclusión, esta nueva edición del Fórum Técnico de Tratamiento Térmico ha permitido a las empresas asistentes actualizar su conocimiento de las distintas innovaciones que desde los diversos ámbitos de esta industria se plantean actualmente para hacerla más competitiva.
La alta asistencia de empresas a esta tercera edición, superando las ediciones anteriores, consolida el encuentro como un espacio referente de conocimiento dentro de esta industria.
El conocimiento técnico compartido a través de todas las presentaciones y el intercambio de experiencias planteado por los distintos ponentes, junto con la destacada participación de las empresas, han sido algunas de las claves del éxito de esta jornada. Un punto de encuentro y de trabajo que esperamos siga manteniendo este interés en futuras ediciones.
Desde la organización del acto, agradecer el esfuerzo y la colaboración de los técnicos de las distintas empresas, grupos y centros que han hecho posible la coordinación y materialización de este interesante espacio técnico de trabajo.
Agradecer, asimismo, el trabajo de TRATER PRESS como Media Partner de este encuentro de la industria de tratamiento térmico.
Organizadores y entidades/compañías colaboradoras:
