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Cómo las bobinasde impresión 3Dsuperaron lasexpectativas de I+D

/ INDUCTION HEATING EQUIPMENT TECHNICAL CONTENT, Manufacturing Heat Treat Technical Content

Por Josh Tucker, Gerente de Calentamiento por Inducción, Tucker Induction Systems, Inc.
Traducido por Víctor Zacarías, Global _ Thermal Solutions México

This informative piece was first released in Heat Treat Today’s April 2025 Induction Heating & Melting print edition.

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Las investigaciones sobre bobinas de inducción con impresión 3D han demostrado que estas bobinas son más resistentes y tienen una vida útil más larga en comparación con las bobinas fabricadas tradicionalmente. Lea sobre cómo la fabricación aditiva elimina pasos como el brazing de las uniones y ofrece nuevas posibilidades de diseño. 

Tucker Induction Systems comenzó a explorar la posibilidad de utilizar la tecnología de impresión 3D para fabricar bobinas y descubrió que, en muchos casos, las bobinas impresas en 3D eran más resistentes y duraderas que sus contrapartes fabricadas Tradicionalmente. 

Cuando llegó el COVID-19, el condado de Macomb, Michigan, puso en marcha una iniciativa llamada Proyecto DIAMOnD (Distributed, Independent, Agile Manufacturing on Demand). Proporcionó a los fabricantes PyMEs impresoras 3D de tipo modelado por deposición fundida marca Markforged como una forma de fabricar rápidamente el equipo de protección personal tan necesario para la pandemia y para ayudar a los fabricantes de tamaño pequeño a mediano a superar los problemas de la cadena de suministro que plagaron la industria durante la crisis. 

Estábamos ansiosos por adquirir experiencia práctica en fabricación aditiva a través de la iniciativa DIAMOnD y, al hacerlo, descubrimos que despertó nuestra curiosidad sobre la posibilidad de imprimir en 3D nuestras bobinas y nuevas formas de diseñarlas que van más allá de las capacidades del mecanizado tradicional. 

En 2021, iniciamos un proceso de investigación y desarrollo de dos años de duración para la impresión de bobinas y descubrimos que, al imprimir en 3D bobinas de inducción, podíamos aumentar drásticamente la resistencia de las bobinas y, potencialmente, alargar su vida útil. La experiencia ha abierto nuevos caminos en el diseño de nuestras bobinas, además de brindarnos la capacidad de diseñar bobinas utilizando métodos que van más allá de las capacidades del mecanizado tradicional. 

Figura 1. Bobinas de temple por inducción impresos en 3D.

Es de conocimiento común en la industria que las partes más débiles de una bobina son las uniones soldadas, pero a través del proceso de I+D, hemos aprendido que al imprimir las bobinas en 3D, es posible eliminar la mayoría, o incluso todas las uniones soldadas en la bobina. Esto aumenta la resistencia y, potencialmente, la vida útil de una bobina. Después de años de pruebas y evolución, los resultados finales fueron mejores de lo que esperábamos, lo que demuestra que las bobinas se pueden imprimir y durarán en el campo. 

Sin embargo, hubo algunos desafíos a la hora de adaptarse al uso de la tecnología de impresión 3D. Por ejemplo, el tipo de impresión en cobre que necesitábamos no se estaba realizando en los Estados Unidos, lo que fue un obstáculo para intentar formar un proceso que diera como resultado una bobina impresa con éxito. Luego, uno de los mayores desafíos después de que cerramos el proceso y el material, fue el diseño de los conductos de refrigeración internos para las bobinas. Los conductos debían diseñarse de manera que fueran autosufi cientes y sin restricciones. Teníamos que producir el mismo caudal que las bobinas fabricadas tradicionalmente y asegurarnos de que estábamos dirigiendo la refrigeración hacia las áreas correctas. Descubrir eso requirió muchos intentos fallidos (oportunidades de aprendizaje) antes de lograr el éxito. 

Una vez logrado ese objetivo, instalamos una impresora 3D de metal en Tucker Induction en enero de 2024 y hemos estado imprimiendo con éxito todo tipo de bobinas. Algunos ejemplos incluyen bobinas de diámetro interno, estáticas y de escaneo. 

Los beneficios de utilizar bobinas impresas en 3D 

Si bien las bobinas tradicionales (como nuestra bobina intercambiable de cambio rápido para sistemas de inducción de dos vueltas y diseños de bobina estática con sujeción precisa a presión) han cambiado la industria, la capacidad adicional de la impresión 3D nos permite imprimir piezas dimensionalmente exactas y duraderas que son capaces de funcionar en el campo y que pueden ir más allá de las barreras del mecanizado tradicional. 

Figura 2. Bobina de inducción estática impresa en 3D con retenes

El ahorro de tiempo es una de las mayores ventajas. Debido a que la impresora 3D puede seguir funcionando “fuera de turno”, el tiempo de procesamiento desde la impresora hasta el cliente es mucho más corto en comparación con las bobinas fabricadas tradicionalmente. Nos referimos al tiempo de procesamiento como el tiempo adicional necesario para completar el ensamblaje de la bobina después de la impresión. En algunas situaciones, es posible imprimir un ensamble de bobina completo con la bobina lista inmediatamente para ser enviada al cliente. En otras ocasiones, puede ser necesario soldar con brazing adicional o realizar detalles complementarios para completar el ensamblaje. 

Dado que todas las bobinas son diferentes, el tiempo de procesamiento varía de una bobina a otra. Sin embargo, al imprimir la mayor parte posible del conjunto, podemos limitar la cantidad de trabajo adicional necesario para completar el ensamble. 

La resistencia y la longevidad potencial de las bobinas impresas en 3D son ventajas adicionales. Las partes más débiles de la bobina son las uniones soldadas, pero el proceso que utilizamos para imprimir las bobinas reduce drásticamente la cantidad de uniones soldadas, lo que hace que la bobina sea una construcción sólida. Esto da como resultado un producto que será más resistente en el entorno de inducción y tiene el potencial de durar más que su contraparte fabricada tradicionalmente. 

En lo que respecta a la vida útil de las bobinas impresas en 3D, nuestra base es que las bobinas impresas deben durar al menos tanto como las bobinas fabricadas tradicionalmente. Sin embargo, en nuestra investigación hemos visto que, en promedio, nuestras bobinas impresas en 3D pueden durar entre dos y tres veces más que las bobinas fabricadas tradicionalmente. Si bien la longevidad de cada bobina depende de cada caso, ya que hay muchos factores que influyen en la vida útil de una bobina, una de nuestras bobinas de prueba originales todavía está funcionando en el campo con más de un millón de ciclos de calentamiento. 

Mientras seguimos mejorando los procesos y los diseños, también nos esforzamos por reducir el tiempo de reparación. Reparar y devolver las bobinas de nuestros clientes en un esfuerzo por limitar su tiempo de inactividad siempre ha sido algo por lo que nos esforzamos con nuestras bobinas tradicionales, pero hemos descubierto que las bobinas impresas en 3D son más fáciles de reparar. Dado que las múltiples uniones soldadas no son un problema en las bobinas impresas, se reducen las posibilidades de causar problemas adicionales mientras se trabaja en la reparación original. Si la reparación consiste en reemplazar el cabezal de la bobina, podemos recuperar la impresión original y ejecutarla nuevamente, en lugar de tener que volver a maquinar ensamblar y soldar toda la bobina, lo que reduce significativamente el tiempo de reparación de muchas bobinas impresas en 3D. 

Limitaciones de las bobinas de impresión 3D 

A pesar de las ventajas de la impresión 3D de bobinas de inducción y del hecho de que la capacidad de imprimir bobinas te lleva a pensar que cada bobina debe imprimirse, hay algunos casos en los que todavía es más efectivo utilizar la fabricación tradicional. 

Figura 3. Estructuras de muestra impresas en 3D.

Por ejemplo, las bobinas que son más grandes de lo que la máquina puede imprimir (el tamaño de nuestra plataforma de impresión es de aproximadamente 12 x 12 x 13 pulgadas) pueden ser un factor limitante. En otras ocasiones, la bobina se puede fabricar más rápido utilizando métodos tradicionales. La impresora tiene limitaciones y no es la mejor opción para ciertas bobinas. Por ejemplo, las bobinas que son menos intrincadas y están hechas de tubos son un tipo que sería un mejor candidato para la fabricación tradicional; estas bobinas simplemente requieren envolver un tubo de cobre alrededor de un mandril. 

El futuro de las bobinas impresas en 3D 

Seguimos investigando y perfeccionando los procesos de impresión 3D de nuestras bobinas y nos esforzamos por ofrecer a nuestros clientes el mejor producto posible. Para ello, debemos permanecer atentos y estar dispuestos a aprender y mejorar continuamente nuestros diseños y procesos. 

A medida que aprendemos más y perfeccionamos nuestros procesos de impresión 3D de bobinas, creo que las bobinas impresas en 3D desempeñarán un papel fundamental en el futuro de la industria. Hemos demostrado que la impresión 3D de bobinas no solo es posible, sino que en algunos casos las bobinas impresas en 3D pueden superar a sus contrapartes fabricadas tradicionalmente. 

Sobre El Autor:

Josh Tucker
Gerente de Calentamiento por Inducción
Tucker Induction Systems, Inc.

Josh Tucker se graduó de licenciatura dela Grand Valley State University y luego fue contratado como jefe de compras en Tucker Induction Systems. Desde que comenzó hace ocho años, el rol y las capacidades de Josh se han expandido al maquinado, la electroerosión, la impresión 3D y el grabado láser. También organiza las operaciones diarias y el fl ujo del taller. Josh fue reconocido en la clase 2024 de 40 Under 40 de Heat Treat Today.


Para más información: Contacta a Josh Tucker en JTucker@tuckerinductionsystems.com. 

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Métodos para la medición de la austenita retenida

/ AEROSPACE HEAT TREAT TECHNICAL CONTENT, QUENCHING TECHNICAL CONTENT

La mayoría de quienes aplican el tratamiento térmico reconocen la importancia de medir la austenita retenida (RA, por sus siglas en inglés); no obstante, muchos optan por no realizar estas mediciones por razones de tiempo y/o de los costos asociados. Este artículo explica los motivos por los cuales se deben practicar las mediciones RA, los factores a favor y en contra de las tecnologías de medición tradicionales y los beneficios de realizar la medición en la planta misma, utilizando tecnologías más avanzadas.

This informative piece was first released in Heat Treat Today’s March 2025 Aerospace Heat Treating print edition. To read the article in English, click here.

La importancia del porcentaje de austenita retenida

Antes de entrar a examinar algunas metodologías de medición, es necesario entender lo básico en relación a la austenita retenida, al igual que la importancia que reviste el porcentaje de la misma (%RA).

Austenita retenida (RA) es el nombre que se le da a la austenita que durante el proceso de templado no se transforma en martensita. En términos sencillos, la austenita retenida (figura 1) ocurre cuando el acero se ha templado sin llegar de manera contundente a la temperatura de acabado de la martensita (Mf); es decir, la temperatura ha estado por encima de lo requerido para permitir la formación de martensita al 100%. Debido a que la Mf está por debajo de la temperatura ambiente en la mayoría de las aleaciones que contienen más del 0.30% de carbón, se pueden presentar cantidades significativas de austenita retenida en la martensita a temperatura ambiente. (Herring, Atmosphere Heat Treatment).

Al tratarse del %RA, con frecuencia existe un equilibrio muy sensible entre sus efectos benéficos (el aumento en la durabilidad de ciertos componentes manufacturados) y sus atributos negativos (la creación de piezas susceptibles de fracturas y averías). Por tal motivo es de crítica importancia que los tratadores térmicos logren el %RA óptimo para la aplicación deseada.

Por ejemplo, en las industrias de la aeronáutica y la astronáutica, con frecuencia se especifica que los niveles de RA sean inferiores al 8%, y para piezas como los cojinetes y los actuadores lineales, se requiere un RA por debajo del 3%, lo más cercano posible a cero. No obstante, en otras aplicaciones, como por ejemplo los engranajes grandes para generadores de energía, energía eólica y plataformas de rendimiento, se ha identificado que un RA en el rango del 15-30% reviste mayores beneficios. (Errichello et al., “Investigations of Bearing Failures”). De igual manera, un alto % RA es una ventaja en el caso de cojinetes que vayan a entrar en contacto con lubricantes contaminados.

Figura 1. Microestructura en la superficie de la trayectoria de un cojinete de rodamiento 12CrNi3 (o SAE/AISI 9310) compuesto por martensita templada en la que se evidencia austenita retenida (áreas blancas)

Marco DeGasperi, gerente técnico de Verichek, se pronunció al respecto señalando que el %RA es de crítica importancia para los inyectores de combustible, para piezas pequeñas en aplicaciones médicas y para aplicaciones de alto nivel y alto volumen tales como las placas de desgaste en la industria minera. Lo resumió afirmando: –Cuando tu ejercicio se trate de someter a presión y movimiento cualquier dispositivo de calibración fina…si utilizas la palabra “precisión” para darte a conocer, vas a querer hacerte a una [herramienta de medición del %RA].

Las mismas características que le dan a la austenita retenida muchas de sus propiedades particulares, son a la vez las respons ables de significativos problemas de funcionamiento. Sabemos que la austenita es la fase normal del acero a altas temperaturas, mas no a temperatura ambiente. Debido a que la austenita retenida existe por fuera del rango normal de su temperatura, es metaestable, lo que quiere decir que, cuando entre en funcionamiento, los factores como la temperatura, el estrés, y aún el tiempo, harán que se transforme en martensita no revenida. Es más, junto con dicha transformación se dará un cambio en el volumen (aumentará) generando un alto grado de estrés interno en el componente y provocando muchas veces la formación de grietas lo que podrá llevar a que las piezas fallen en el campo.

El % RA también es importante, no solo por el impacto sobre la estabilidad dimensional, sino además por las propiedades mecánicas tales como el límite elástico, la resistencia a la fatiga, la tenacidad, y la manejabilidad. (Herring, Atmosphere Heat Treatment). A manera de ejemplo, DeGasperi identifica en la industria automotriz las consecuencias de un %RA demasiado alto o demasiado bajo: –Hablemos de las piezas en una transmisión o en una caja de transferencia; aquí es donde se dan los casos en los que se empiezan a romper los cojinetes, o terminas viéndote en la obligación del retiro masivo del producto del mercado. Y por lo general toda la cadena de suministro identifica al anterior como el culpable cuando ninguno en toda la cadena se ha tomado la molestia de probar las piezas por sí mismo.

Por el contrario, en algunos casos, la RA diseminada en pequeñas cantidades aporta para que el material resista la propagación de fracturas por fatiga y disminuye el estrés por fatiga en el contacto de rodamiento, así que lograr el correcto equilibrio en la cantidad de RA es importante en muchas aplicaciones. Además, el % justo de RA es esencial para el control de calidad, al igual que para evitar problemas de seguridad y retiros masivos del mercado. El debido control y la medición precisa del % RA en las aleaciones de acero es un punto crítico para garantizar la calidad y la seguridad de los componentes terminados, salvaguardando así la reputación y el margen de ganancia tanto de los tratadores térmicos como de los fabricantes.

Métodos de medición de RA

El medir con precisión la RA es de vital importancia para establecer si existe el balance correcto entre la austenita retenida y la martensita en determinado componente. Los tratadores térmicos tienen a su disposición varias metodologías para esta medición, cada una con sus respectivas ventajas y desventajas. Para el tratador térmico entender la importancia de medir el % RA representa tan solo una parte de la batalla ganada, mientras que la otra parte se gana cuando se logra identificar un método de medición que sea rápido, preciso y rentable.

La difracción de rayos-X: el mejor y más preciso de los métodos

Figura 2a. Una unidad de sobremesa ArexD de GNR

La difracción de rayos-X, utilizada para identificar y cuantificar las fases en un material, se considera el método más preciso de medición de RA en acero ya que logra establecer los niveles de RA hasta el rango aproximado de 0.5-1% (GNR, “AreX Diffractometer,” 3). En la difracción de rayos-X, las diferentes fases cristalinas demuestran diferentes patrones de difracción, lo que permite que sean identificadas y medidas. Además del análisis de fases, la difracción de rayos-X se puede utilizar para analizar car acterísticas microestructurales tales como la textura, el esfuerzo residual y el tamaño del grano.

Hoy en día, la difracción de rayos-X es una solución segura y no-destructiva que permite valorar una región mucho más amplia que la de varios de los otros métodos disponibles, sin necesidad de gran preparación ni análisis de la muestra, haciendo de ésta una solución más eficiente y efectiva. Es la tecnología más opcionada para una empresa que requiera valorar la RA con un resultado esperado inferior al 10%,

La actual generación de difractómetros de rayos-X ostenta un diseño de sobremesa con un peso aproximado de 25 libras. Existen modelos con costos inferiores a los USD $100.000, lo que los hace rentables frente al costo de un difractómetro tradicional (USD $200.000) que tenía además la desventaja de presentar dificultades cuando la muestra tuviera fases y reflexiones adicionales, ya fuera por el tamaño del grano, por los carburos o por las texturas que pudieran provocar disturbios y variaciones en la medición. La nueva generación de equipos de rayos-X logra superar estos obstáculos utilizando múltiples picos de difracción para minimizar los efectos de la orientación preferida y detectar la interferencia de los carburos.

Figura 2b. Una unidad de sobremesa ArexD de GNR

Las máquinas modernas de difracción de rayos-X tienen la capacidad de recoger hasta siete picos de difracción (tres para la fase ferrítica/martensítica y cuatro para la fase austenítica) para luego establecer la concentración de porcentaje por volumen de RA en la muestra al comparar las intensidades de los picos y analizar las relaciones entre éstos de acuerdo con el ASTM E975-22 (práctica estándar para la determinación por rayos-X de austenita retenida en acero con orientación cristalográfica cercana a la aleatoria).

No es complicado usar los equipos modernos de difracción de rayos-X. En menos de tres minutos se logra la medición con tan solo ubicar la muestra en la máquina y oprimir el botón de inicio. Estos difractómetros realizan mediciones en muestras de diferentes tamaños y se valen de software intuitivo, dando lugar a que cualquier técnico, tenga o no experiencia previa en metalurgia o difracción, efectúe la medición de manera rápida, precisa y eficiente.

La microscopía óptica: un método a prueba del tiempo

La RA se puede medir de manera metalográfica con un microscopio óptico. En la mayoría de los casos, un metalúrgico con experiencia puede establecer el %RA en el rango hasta del 10-15%, lo cual es más que suficiente para muchas aplicaciones, con el beneficio adicional de que también caracteriza la microestructura.

Este método, que implica establecer la fracción de austenita mediante el contraste derivado del comportamiento de grabado o morfología, es de bajo costo; sin embargo, puede ser demorado. En libros de referencia existen tablas y diagramas que ayudan a determinar el porcentaje de austenita retenida utilizando métodos comparativos. La microscopía óptica es subjetiva ya que depende del individuo y la interpretación que haga de la muestra bajo el microscopio.

Figura 3. Ejemplo de la técnica para medir los picos de %RA

Métodos alternos

Los tratadores térmicos también disponen de otros varios métodos de medición de la RA. Entre los más comunes se encuentran:

La inducción magnética: Aquí se magnetiza una muestra al punto de saturación y se mide la polarización de saturación. Con esto, se calcula la diferencia entre la saturación medida y la saturación teórica de la RA utilizando la ecuación.

La inducción magnética no es destructiva y ofrece un rango más alto y amplio que el de la microscopía óptica (1-30%). Sin embargo, al ser una medición de volumen, es necesario que el instrumento sea calibrado a los materiales específicos, junto con sus tratamientos térmicos y geometrías, lo cual exige mucho tiempo y depende en un alto grado de la habilidad del técnico.

Difracción de electrones por retrodispersión (EBSD, por sus siglas en inglés): Utilizar este método de medición de RA implica ubicar la muestra en un microscopio electrónico de barrido (SEM, por sus siglas en inglés) para caracterizar la estructura cristalográfica al igual que la microestructura. Las mediciones de RA con base en esta técnica no suelen ser muy precisas y dependen de la correcta preparación de la muestra. Adicionalmente, es un método destructivo y arroja una medida sobre un volumen muy pequeño.

En conclusión

El medir acertadamente el nivel de austenita retenida permite que tanto el ingeniero de diseño como el metalúrgico maximicen los efectos benéficos que ofrece, al mismo tiempo evitando sus consecuencias negativas. El tratador térmico, por su parte, deberá tener en cuenta la química del material y las variables del proceso de tratamiento térmico tales como la temperatura de austenización, la rapidez de enfriamiento, los tratamientos criogénicos o de congelación profunda y las temperaturas de templado.

Referencias

Errichello, Robert, Robert Budny, and Rainer Eckert. “Investigations of Bearing Failures Associated with White Etching Areas (WEAs) in Wind Turbine Gearboxes.” Tribology Transactions 56, no. 6 (2013): 1069–1076.

GNR, Analytical Instruments Group. “AreX Diffractometer: GNR Proposal for measuring Retained Austenite in the industrial domain and in laboratory.”

Herring, Daniel H., Atmosphere Heat Treatment. Volume I. Chicago: BNP Media, 2014.

Agradecimientos

Queremos agradecer a los siguientes contribuyentes por su aporte en el desarrollo de este artículo: Thomas Wingens, presidente y especialista en Heat Treat, WINGENS CONSULTANTS; Dennis Beauchesne, gerente general, ECM USA; Tim Moury, presidente & CEO, Marco DeGasperi, gerente técnico, Jeff Froetschel, vicepresidente y director financiero, Verichek Technical Services, Inc.; y Dan Herring, The Heat Treat Doctor®, The HERRING GROUP, Inc.

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El PF y el DPF: ¿importan?

/ CONTROLS TECHNICAL CONTENT, Manufacturing Heat Treat Technical Content

As heat treating facilities strive for energy efficiency and reliability, investing in power improvements can move a company toward sustainable operations. In this Controls Corner installment, Brian K. Turner of RoMan Manufacturing, Inc. compares real power factor and displacement power factor in the efficiency and electrical performance of vacuum furnaces.

This informative piece was first released in Heat Treat Today’s February 2025 Air/Atmosphere Furnace Systems print edition.

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En el contexto de los hornos de vacío, el factor de potencia real y el factor de potencia de desplazamiento son conceptos claves en relación a la eficiencia y el comportamiento tanto de la fuente de energía eléctrica como de la carga del horno. A continuación, una comparación entre los dos factores.

1. El factor de potencia real (PF, por sus siglas en inglés)

Definición: El factor de potencia real es la relación entre la potencia real (potencia activa, P, medida en vatios) y la potencia aparente (S, medida en voltamperios). Da cuenta tanto del desplazamiento de fase como de la distorsión armónica.

Relevancia para hornos de vacío:

  • Los hornos de vacío, en particular los que funcionan con calentamiento por inducción, con frecuencia generan cargas no lineales debido a la operación de la electrónica de potencia.
  • Las cargas no lineales conllevan armónicos que distorsionan la forma de onda de la corriente generando una disminución en el factor de potencia real.
  • Un bajo factor de potencia real es indicador de ineficiencia ya que el sistema se ve obligado a aumentar el consumo de potencia aparente para generar la potencia real que se requiere.

2. El factor de potencia de desplazamiento (DPF, por sus siglas en inglés)

Definición: El factor de potencia de desplazamiento es el coseno del ángulo (ϕ) entre dos componentes fundamentales: el voltaje y las formas de onda de la corriente.

Relevancia para hornos de vacío

  • En los hornos de vacío la esencia inductiva de los componentes (p.ej., los transformadores y las cargas inductivas) genera un factor de potencia de retardo que se ve reflejado en el DPF.
  • Un bajo factor de potencia de desplazamiento (es decir, con retardo importante) implica demandas significativas para el sistema en cuanto a potencia reactiva, lo que a su vez afecta el tamaño de los transformadores y del equipo de distribución de energía.

Tabla superior: DPF – Condiciones ideales

  • La forma de onda sinusoidal verde representa la corriente en un escenario con factor de desplazamiento de potencia ideal en el que interviene únicamente el desplazamiento de fase (ϕ) entre el voltaje (curva azul) y la corriente.
  • Las formas de onda se ven limpias y sinusoidales, indicando la ausencia de distorsión armónica.

Tabla inferior: PF — Con distorsión armónica

  • La forma de onda roja representa la corriente con la intervención de la distorsión armónica, situación típica de sistemas con cargas no lineales, caso de los hornos de vacío.
  • Esta distorsión genera una disminución en el factor de potencia real frente al factor de potencia de desplazamiento, aún cuando no se haya modificado la relación en la fase fundamental.
Formas de onda que permiten visualizar el DPF vs. el PF en relación a voltaje y corriente

Efecto sobre el tamaño de transformadores y transformadores de distribución

Aumento en la demanda de potencia aparente

  • Un factor de potencia real disminuido (debido a los armónicos) implica que el transformador deberá manejar una mayor potencia aparente (S) sin importar que la potencia real (P) no haya cambiado. Esto puede aumentar los costos de capital al requerir transformadores más grandes.

Estrés térmico

  • Los armónicos llevan a pérdidas adicionales (por las corrientes inducidas y la histéresis) generando el sobrecalentamiento de los transformadores y disminuyendo la eficiencia y duración de los mismos.

Regulación de voltaje

  • Los armónicos distorsionan la forma de onda del voltaje, lo que podría afectar los equipos sensibles y obligar al uso de transformadores capaces de regular de manera más precisa el voltaje.

Penalización por consumo energético

  • Los proveedores del servicio de energía muchas veces aplican sanciones por un bajo factor de potencia real, con lo que buscan incentivar a los usuarios a mejorar la calidad de la potencia mediante el uso de filtros armónicos o corrección del factor de potencia.

Conclusión

La revisión del factor de potencia en los hornos de vacío es de crítica importancia para lograr una mayor eficiencia y la reducción de los costos operativos. En su avance hacia la eficiencia y la fiabilidad energética, invertir en estas mejoras permitirá a las plantas de tratamiento térmico acercarse un paso más a la operatividad sostenible.

Traducido por: Shawna Blair

About the Author:

Brian Turner
Sales Applications Engineer
RoMan Manufacturing, Inc.

Brian K. Turner has been with RoMan Manufacturing, Inc., for more than 12 years. Most of that time has been spent managing the R&D Lab. In recent years, he has taken on the role as applications engineer, working with customers and their applications.

Para contactar a Brian: bturner@romanmfg.com.

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Consulta a The Heat Treat Doctor®:¿Cómo determinar cuál medio detemple utilizar?

/ HARDENING TECHNICAL CONTENT, MANUFACTURING HEAT TREAT TECH, QUENCHING TECHNICAL CONTENT

The Heat Treat Doctor® ha vuelto para ofrecer sabios consejos a los lectores de Heat Treat Today y para responder a suspreguntas sobre el tratamiento térmico, brazing, sinterizado y otros tipos de procesamiento térmico, así como preguntassobre metalurgia, equipos y problemas relacionados con los procesos.

The Heat Treat Doctor® has returned to offer sage advice to Heat Treat Today readers and to answer your questions about heat treating, brazing, sintering, and other types of thermal treatments as well as questions on metallurgy, equipment, and process-related issues.

This article was originally published in Heat Treat Today‘s September 2024 People of Heat Treat print edition.

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El temple es un paso fundamental en el proceso de tratamiento térmico. Y si bien el especialista en tratamiento térmico suele tener varias opciones disponibles, existe un delicado equilibrio entre lo que está disponible para nosotros y cómo podemos optimizar sus características de rendimiento para cumplir con los requisitos/especificaciones de nuestros clientes. Se deben tener en cuenta cuidadosamente el material, el diseño de la pieza (geometría), los requisitos previos y posteriores de manufactura, la carga, el cambio dimensional permitido (es decir, la distorsión) y el proceso como tal. Conozcamos más.

Medios de temple: una breve Descripción

Los medios de temple actuales ofrecen una amplia gama de capacidades que, en algunos casos, se traslapan. Sin embargo, en un nivel fundamental, la función de un medio de temple es extraer calor de la superficie de la pieza para cumplir con una velocidad crítica de enfriamiento especificada y con ello lograr la microestructura necesaria para lograr las propiedades mecánicas y físicas requeridas. En el temple de aceros, por ejemplo, se debe evitar pasar por la “nariz” de la curva de transformación-tiempo-temperatura (TTT) si el resultado final deseado es una microestructura martensítica (o bainítica). Por el contrario, la velocidad de enfriamiento para un proceso de normalización requiere enfriamiento “al aire”, un término que a menudo se malinterpreta y que abordaremos en una discusión futura.

Figura 1. Medios de Temple comunes y su efecto en la distorsión (1)

Sin embargo, un medio de temple (Figura 1) es más que solo su velocidad de enfriamiento. Los medios de temple deben ser estables durante su vida útil, especialmente con respecto a la degradación (por ejemplo, oxidación), ser seguros, ser fáciles de arreglar y mantener, tener un alto punto de vaporización, idealmente no interactuar con la superficie de la pieza, usarse dentro de su rango de rendimiento óptimo, tener una larga vida útil, eliminarse fácilmente mediante limpieza después del temple y ser rentables.

A manera de una caracterización muy amplia, los medios de temple se pueden dividir en las siguientes categorías generales:

  • Medios de temple líquidos (p. ej., a base de agua, aceites, polímeros, sales fundidas y metales fundidos)
  • Medios de temple gaseosos (p. ej., aire, nitrógeno, argón, hidrógeno, vapor, dióxido de carbono, dióxido de azufre, gases reductores, atmósferas protectoras sintéticas o generadas, gases a alta presión)
  • Medios de temple sólidos (p. ej., dados de prensa enfriados, placas y polvos)
  • Medios de medios mixtos (p. ej., temple por aspersión, lechos fluidizados)
Figura 2. Diagrama de Ishikawa (también conocido como de pescado) de las variables de temples (1)

Selección del medio de temple óptimo

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Se deben tener en cuenta varios factores al seleccionar el mejor medio de temple. A continuación, se enumeran algunos de los aspectos importantes a tener en cuenta al seleccionar el medio adecuado (Figura 2):

  • Material: composición química, templabilidad, forma (p. ej., barra, placa, forja, fundición), tipo (p. ej., forjado, sinterizado) y limpieza, por nombrar algunos
  • Geometría/diseño de la pieza: forma, tamaño, peso, complejidad
  • Estado de laminación o tratamiento térmico previo: recocido, normalizado, preendurecido, relevado de esfuerzos
  • Estado de tensión: el efecto acumulativo de las operaciones de laminación y las operaciones de fabricación del cliente antes del tratamiento térmico
  • Carga: canastillas (aleación, compuesto C/C, placas de grafito, etc.)
  • Parámetros del proceso: temperatura, tiempo, precalentamiento
  • Selección del equipo: ¿es óptimo o simplemente adecuado para el trabajo?
  • Medio(s) de temple disponibles: sus limitaciones y ventajas

Es importante hablar brevemente aquí sobre dos aspectos del proceso de selección del medio de temple. Primero, observar la diferencia entre dureza y templabilidad (que analizaremos con más detalle en el futuro). Los tratadores térmicos tienden a centrarse en la dureza (ya que podemos medirla fácilmente en nuestro taller), pero la templabilidad es una consideración crítica en la selección del medio de temple. La templabilidad es una propiedad del material independiente de la velocidad de enfriamiento y dependiente de la composición química y el tamaño del grano. Cuando se evalúa mediante pruebas de dureza, la templabilidad se define como la capacidad del material bajo un conjunto dado de condiciones de tratamiento térmico para endurecerse “en profundidad”. En otras palabras, la templabilidad se relaciona con la “profundidad de endurecimiento”, o el perfil de dureza obtenido, no con la capacidad de alcanzar un valor de dureza particular. Cuando se evalúa mediante técnicas microestructurales, la templabilidad se define (para aceros) como la capacidad del acero para transformarse parcial o completamente de austenita a un porcentaje definido de martensita.

Tabla 1. Valores medios e instantáneos del coeficiente de transferencia de calor (3)

En segundo lugar, se debe tener en cuenta tanto el valor medio como el instantáneo del coeficiente de transferencia de calor alfa (α) del medio de temple. Aunque la “potencia” máxima de temple se puede describir mediante el coeficiente de transferencia de calor instantáneo, el coeficiente de transferencia de calor promedio (Tabla 1) proporciona una mejor comparación relativa de los diversos medios de temple, ya que representa el valor del coeficiente de transferencia de calor en todo el rango de enfriamiento (desde el inicio hasta el final del temple). Es importante recordar que la capacidad de gestionar (no controlar) la distorsión es un delicado acto de equilibrio entre la extracción uniforme del calor y la transformación adecuada.

Tabla 2. Clasificación de los aceites de temple (1)

Un ejemplo común: selección de aceite de temple

Los factores importantes a tener en cuenta al seleccionar un aceite de temple, que son válidos en una forma ligeramente modificada para la mayoría de los medios líquidos, son: el tipo de medio (es decir, características del temple, datos de la curva de enfriamiento, nuevo y a lo largo del tiempo); velocidad de temple (consulte a Tabla 2); temperatura de uso; volumen efectivo del tanque de enfriamiento [es decir, la regla de un galón por libra de acero (8,4 L/kg)]; y los requisitos del cliente.

Los factores de diseño del tanque de temple también juegan un papel importante e involucran lo siguiente:

  • Volumen de aceite en el tanque de temple
  • Número de recirculadores o bombas
  • Ubicación de los recirculadores
  • Tipo de recirculadores (velocidad fija ovariable)
  • Disposición de los deflectores internos del tanque (tubos de aspiración, álabes de flujo direccional, etc.)
  • Diseño del elevador de temple (es decir, restricciones de flujo)
  • Dirección del flujo del temple (hacia arriba o hacia abajo a través de la carga)
  • Tamaño de la propela (diámetro, espacio libre en el tubo de aspiración)
  • Máximo incremento dela temperatura (diseño) delaceite después del temple
  • Altura del aceite sobre la carga
  • Intercambiador de calor: tipo, tamaño, tasa de extracción de calor (BTU instantáneos/minuto)
  • Tiempo de recuperación del aceite hasta el set point

Por último, se deben tener en cuenta factores como: la masa de la pieza; la geometría de la pieza (por ejemplo, secciones delgadas y gruesas, esquinas y barrenos afilados, perfil de los dientes del engrane, perfil de la rosca, etc.); espaciamiento de la pieza en la carga; velocidad de flujo efectiva a través del área de temple (vacía y con carga); estado de tensión de operaciones anteriores (de manufactura); operaciones de tratamiento térmico posteriores a realizar (si las hay); carga, incluidas las charolas, las canastillas y el herramental (material y diseño); y el material (composición química y templabilidad).

Reflexiones finales

El temple, considerado por muchos como un tema complejo y multifacético, es un asunto que los especialistas en tratamiento térmico deben supervisar y controlar constantemente. En futuras entregas, analizaremos muchos de los aspectos individuales del temple. Lo importante aquí es reconocer que, si se realiza correctamente, el temple (en cualquier forma) optimizará un tratamiento térmico determinado y ayudará a producir las piezas de la más alta calidad que exigen las industrias a las que prestamos nuestros servicios.

Referencias

Daniel Herring, Atmosphere Heat Treatment, Volume II: Atmospheres | Quenching | Testing (BNP Media Group, 2015).

Bozidar Liscic et al., Quenching Theory and Technology, Second Edition (CRC Press, Taylor Francis Group, 2010).

Daniel Herring, “A Review of Gas Quenching from the Perspective of the Heat Transfer Coefficient,” Industrial Heating, February 2006.

Sobre el autor

Dan Herring
“The Heat Treat Doctor”
The HERRING GROUP, Inc.

Dan Herring ha trabajado en la industria durante más de 50 años y ha adquirido una vasta experiencia en campos que incluyen ciencia de materiales, ingeniería, metalurgia, investigación de nuevos productos y muchas otras áreas. Dan es
autor de seis libros y más de 700 artículos técnicos.

Para más información: Comuníquese con Dan en dherring@heat-treat-doctor.com.

For more information about Dan’s books: see his page at the Heat Treat Store.

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Ahorro de energíapara hornos industriales

/ BULK GASES & SYSTEMS TECHNICAL CONTENT, MANUFACTURING HEAT TREAT

La baja efi ciencia energética en los hornos industriales suele impactar los costos de producción de las empresas, ya que se requiere más consumo de energía para alcanzar la temperatura deseada. Esto, a su vez, tiene un impacto tangible en su huella de emisiones de carbono.

This article was originally published in Heat Treat Today’s May 2024 Sustainable Heat Treat Technologies 2024 print edition.

To read the article in English, click here.

De acuerdo a la Agencia Internacional de Energía, el sector industrial es uno de los principales culpables en lo que respecta al consumo global de energía. En muchas situaciones, los hornos industriales tienden a ser los equipos que más la consumen.

En este artículo, compartiremos una serie de soluciones que pueden implementarse para mejorar la efi ciencia energética, reducir los costos de producción y ser social y ambientalmente responsables.

Factores que pueden estar afectando tu efi ciencia energética

Existen un par de factores obvios que pueden estar perjudicando tus índices de eficiencia energética.

Pérdidas de calor en el proceso del horno

Estas pueden deberse a daños estructurales en el aislamiento o a una distribución incorrecta del fl ujo de gas dentro del horno.

Procesos de combustión inefi cientes

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Gran atención al detalle en el mantenimiento predictivo

Probablemente debido a relaciones aire/combustible inadecuadas o excesivas, o a una mala mezcla causada por daños internos en el quemador.

  • Algunos consejos que podemos brindarte para ayudarte a mejorar el ahorro de energía en el horno son: Monitorear la temperatura en el lado frío del horno, verifi cando cuidadosamente que no haya puntos calientes.
  • Analizar periódicamente la composición de los gases de combustión del horno, asegurándose de mantener los niveles esperados de oxígeno y CO.
  • Verifi car periódicamente que los fl ujos de aire de combustión y combustible estén en una relación estequiométrica.
  • Revisar al menos dos veces al año que los quemadores estén en buenas condiciones y no presenten daños.
  • Evitar la infi ltración de aire frío en el horno que pueda afectar la efi ciencia del proceso.
  • Mantener ajustados los lazos de control de temperatura. Si no hay un lazo de control de temperatura, recomendamos integrarlo.
  • Monitorear periódicamente el consumo, ya sea manual o automáticamente.
  • Garantizar un programa de mantenimiento predictivo en el sistema de combustión.

¿Cómo funciona el mantenimiento predictivo?

Revisión de fl ujos de hornos industriales

Este tipo de mantenimiento se basa en el almacenamiento, monitoreo y análisis de datos y variables cuantifi cables de los equipos en tiempo real, como temperatura, vibración y frecuencia.

Para que este enfoque funcione, es necesario comprender a fondo los procesos e identifi car qué aspectos necesitan ser analizados. Estos aspectos incluyen:

  • Temperatura: monitorear la temperatura puede revelar cambios anormales, indicando un posible sobrecalentamiento o falla de componentes.
  • Vibración: una vibración inusual puede indicar desgaste o desequilibrio de la maquinaria, lo que resultará en daños más severos si no se aborda a tiempo.
  • Frecuencia: analizar patrones y comportamientos particulares puede proporcionar una idea de lo que puede convertirse en futuros problemas potenciales.
  • Estas acciones dependerán de sistemas de control de medición y detección adecuados. Los sensores y algoritmos constituyen los principales sistemas de medición de variables y detección de problemas.

Por un lado, los sensores juegan un papel fundamental en el mantenimiento predictivo, ya que pueden detectar cambios sutiles en el desempeño del equipo, permitiendo identifi car posibles fallas antes de que ocurran. Es recomendable tener acceso a un inventario de marcas reconocidas de sensores y repuestos, lo que te permitirá medir las variables de tu equipo.

Por otro lado, los algoritmos identifi can patrones y tendencias indicativas de posibles problemas mediante el procesamiento de grandes cantidades de datos, lo que permite intervenciones oportunas y planifi cadas. Factores que infl uyen en el tiempo de medición.

El tiempo que puede llevar medir variables durante un proceso de mantenimiento predictivo depende de muchos f actores internos y externos. A continuación, abordamos algunos de ellos.

Factores externos

  • El proceso. Cada procedimiento industrial tiene sus propias características y requerimientos particulares. Por ejemplo, en un proceso continuo se podría requerir un monitoreo constante y en tiempo real, mientras que en otras situaciones un enfoque de intervalos específi cos podría ser el mejor.
  • El producto. Algunos productos pueden requerir un monitoreo frecuente o estricto debido a su naturaleza y características.
  • La fi losofía del cliente. Algunos clientes pueden tener estándares más estrictos o solicitar un monitoreo más frecuente para garantizar la calidad y confi abilidad de sus productos.

Factores internos

  • Capacidad. Puede ser necesaria una planifi cación estratégica y una programación de las mediciones si el equipo es limitado o se emplea para otros procesos.
  • La disponibilidad de personal califi cado. Es fundamental garantizar que haya personal califi cado disponible en el momento adecuado para interpretar los datos obtenidos.
  • Soluciones de ahorro de energía para hornos industriales. Aquí es donde necesitas poder confi ar en tu socio experto en combustión para que lo asesore sobre las soluciones de.

Sistemas de recuperación de energía

Personal altamente capacitado de NUTEC Bickley

Hoy por hoy, se pueden implementar algunos sistemas que pueden ayudar signifi cativamente a reducir el consumo de energía en hornos, previniendo así pérdidas y/o eliminando procesos inefi cientes. Estos son algunos de los que manejamos en NUTEC Bickley:

Sistemas de recuperación de energía

Se pueden agregar a los hornos para recuperar el calor de los gases de combustión y reutilizarlos calentando el aire de combustión. Algunas opciones para estos sistemas son quemadores autorrecuperativos y quemadores regenerativos.

Sistemas de medición de gases de combustión

Garantizan que los hornos siempre tengan la proporción correcta de aire y gas en su sistema. Con ellos, puede monitorear continuamente el estado y así tomar decisiones basadas en estos datos para luego ajustar cualquier nivel desproporcionado.

Servicios de mantenimiento preventive

Además de los consejos y sistemas de ahorro de energía ya mencionados, existen otras acciones que pueden ayudar a prevenir fallas en hornos industriales, mejorar su funcionamiento y más.

Servicio de auditoría y diagnóstico: Se miden las variables de entrada y salida del horno para indicar los niveles de eficiencia actuales e identifi car posibles áreas de mejora.

Servicio de calibración de quemadores: Se verifi a la relación aire/combustible para asegurar que los quemadores operen en el rango correcto.

Conclusión

En resumen, si deseas mejorar la efi ciencia energética en hornos industriales y reducir signifi cativamente tus costos operativos, recuerda seguir nuestras recomendaciones.

Acerca del autor

Alberto Cantú, Vice President of Sales, NUTEC Bickley

Alberto Cantú es vicepresidente de Ventas de NUTEC Bickley. Cantú tiene más de veinte años de experiencia profesional y ha escrito prolífi camente para una gran variedad de revistas y publicaciones. Cantú es uno de los galardonados por Heat Treat Today’s 40 Under 40 Class del 2020.

Para mayor información: Contactar a Alberto escribiendo a albertocantu@nutec.com.

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Automating the Brinell Hardness Tester In-House

/ FEATURED NEWS, HARDNESS TESTERS TECHNICAL CONTENT, MANUFACTURING HEAT TREAT

Automating Brinell hardness testing could mean saving on expensive laboratories, as was the case for one oil tool industry manufacturer. Learn the basics of Brinell hardness testing, its strengths and weaknesses, and options for automation.

This Technical Tuesday article, written by Alex Austin, managing director of Foundrax Engineering Products Ltd., was originally published in Heat Treat Today’s December 2023 Medical and Energy Heat Treat print edition, both in English and in Spanish.

Brinell Hardness Testing: Strengths and Weaknesses

Alex Austin, Managing Director, Foundrax Engineering Products Ltd.

In many steelworks producing large forgings and billets, in numerous heat treatment companies, and near many factory lines producing components for safety-critical applications, you’ll find a Brinell hardness tester. These machines have been used all over the world for more than a century (the test was first demonstrated by its inventor, the Swedish metallurgist August Brinell, in 1900), determining metal hardness by means of a tungsten carbide indenter ball that leaves a dish-shaped indentation in the surface of the test material.

Figure 1. Brinell equation (Source: Foundrax Engineering Products Ltd.)

In the test, the material sample is placed on a rigid anvil, and the indenter descends onto it under loads ranging from 1 kg up to 3,000 kg, depending on the material. Indenters vary in diameter from 1 mm to 10 mm. Most tests use a 3,000 kg load and a 10 mm ball, and the standards always refer to this as “HBW 10/3000.” HBW stands for Hardness Brinell Wolfram, Wolfram being another name for the tungsten carbide the indenter ball is made from. After the (approximately) fifteen second indenting cycle, the indentation is measured across both its x and y axes, as a minimum, by a special calibrated microscope. The mean of the diameter readings is then fed into the Brinell equation.

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Naturally, most technicians would rather not use that equation, so they look the indentation diameter up on a chart and “read across” to the derived hardness.

The great advantage of the Brinell test, when considered alongside other metal hardness testing methods, is that the large indentation diameter (typically between 2.4 mm and 6 mm) means the test result is generally unaffected by the grain structure of the metal. It also means that the surface of the test sample can be adequately prepared in just a few seconds with an angle grinder. For these reasons, the test is regarded by many as the “default” one for rough-surfaced and/or coarse-grained samples.

On the block in image (Figure 4), the distortion around the indentations can be seen very clearly.

That seems pretty simple, but there are inherent weaknesses in the Brinell test: measuring the indentation. In our previous article (read it in Heat Treat Today’s August 2023 Automotive Heat Treat print edition), we used this image (Figure 2) to illustrate how difficult it could be to work out exactly where an indentation edge begins and ends.

You might look at Figure 2 and think, “I’m pretty confident about where that indentation edge is,” but it’s trickier than it looks, because the process of indenting doesn’t just push material downwards; it also spreads it sideways, and you get a “pile up” around the rim of the indentation. The pile up may be difficult to see on hard material, or there may be a subtle “lip” inside the pile up that represents the true edge, but considered in cross-section, indentations look roughly like this simple sketch above (Figure 3).

Figure 2. Measurement of Brinell hardness test indentation (Source: Foundrax Engineering Products Ltd.)
Figure 3. Sketch of cross-section of indentation (Source: Foundrax Engineering Products Ltd.)

The overhead light illuminates the “pile up” rim very clearly on some of those indentations as a highlight around the edge. Where, exactly, does the pile up end and the true edge of the indentation begin? Bear in mind that 0.2 mm can equal 20 hardness points. You could show an indentation to three experienced workshop technicians and receive three different answers to the diameter question, and this problem has been a challenge of the Brinell test from its inception. Special blocks are available for training technicians in measurement, but the problem of operator interpretation was such that, in some quarters, the Brinell test was regarded as a bit “rough and ready.” “Ok for the workshop but not for the lab,” was perhaps how it was once seen.

Why Automate the Brinell?

The first question to consider when looking at the automation of the Brinell test is the measurement system because this is the inherent weakness. There are, of course, applications where only narrow tolerances are acceptable, and disagreements can arise between customers and suppliers.

Over the years, certain manufacturers, who mill heat treated materials for the oil tool industry, confided to us that they were regularly using expensive testing laboratories because of clients disputing the hardness figures of their products. They had previously been using manual microscopes. Obviously, this has reputational, as well as financial, consequences. If a manual microscope is employed on raw materials at the goods-in-process stage and there’s an error reading the hardness, you could find at final machining that you have put a lot of time and effort into a part that, in the end, is too hard or soft for the intended application.

Manually manipulating the microscope may not be worth the effort, especially when even a diligent operator may read the result incorrectly. With an automatic Brinell microscope, however, there is the possibility of major time and cost savings.

4 Levels of Automation

#1 Beginnings of Brinell Automation

The first step in automating Brinell hardness testing began 40 years ago when the world’s first automatic measurement microscope hit the market. The system, still being regularly refined, was able to measure the diameter of the indentation across over 100 axes, calculate the mean, and determine the hardness in a split second. It can handle most surface irregularity, operate in poor lighting, and warns operators of unacceptable surface preparation. Additionally, its precision adjusts for spatial error when lining up with a graticule. Within a few years of launch, a major oil tool manufacturer’s quality chief recommended its use to his suppliers, and user uptake was rapid.

#2 Integrated Microscope Model

A further step in automation is to dispense with operator handling of the microscope entirely by the acquisition of a tester with an integrated microscope. The microscope mentioned above, for example, is a feature on several hardness testing machines. The heavy-duty indenter holder pivots away from its normal line of thrust at the end of the indenting cycle, allowing a supra-mounted camera to view the indentation. This is hugely advantageous: no separate apparatus near the test machine, reduced handling time, and thus, much faster testing overall. Results from such machines are displayed next to the control panel and quickly uploadable to company quality systems.

Figure 4. Block with distortion around indentations (Source: Foundrax Engineering Products Ltd.)

#3 Dispensing of Manual Operations

Another automation option is to dispense with a hand-cranked anvil capstan and purchase a tester with a fixed anvil and movable test head. The technician is not required to manually raise and lower the anvil to allow for variations in the size of sample. Instead, the test head automatically “takes up” the space and also clamps the test piece very securely in place during the test cycle.

#4 Incorporate Custom Hardness Tester in Production Line

The fourth, and obviously most dramatic, automation step to consider is incorporating a custom-designed hardness tester into the production line. In some industries, this is essential. Large billets and forgings can’t be lifted into the jaws of a benchtop or floor-standing Brinell tester; so, for highly accurate testing of such items, a larger machine is required (Figure 5).

Figure 5. A custom-designed production line hardness tester. This machine is now in Texas. (Source: Foundrax Engineering Products Ltd.)

The whole gantry moves on one axis of travel while the test head moves perpendicular to that and, of course, up and down. This provides the full x, y, z movement. Large samples are maneuvered on and off by crane. The test head assembly incorporates the automatic microscope and results are displayed on a screen beside the control panel. Test results can be instantly uploaded to factory quality systems. The head assembly can also incorporate a milling tool for surface preparation!

With any decision to purchase plant and machinery equipment, some form of cost-benefit analysis is worthwhile. Clearly, if you’re doing a significant amount of business annually with a customer who is threatening to cease contracting with you because your hardness measurements are wrong too often, then the decision to buy an automatic microscope is not a difficult one. If staff are on overtime because mandatory hardness testing is adding too much time to production schedules, then a heavy-duty production machine with automatic microscope, movable test head, and sample clamp will pay for itself easily.

One thing is certain: Every automation option in Brinell testing increases accuracy and saves time.

About the Author

Alex Austin has been the managing director of Foundrax Engineering Products Ltd. since 2002. Foundrax has supplied Brinell hardness testing equipment for 60+ years and is the only company in the world to truly specialize in this field. Alex sits on the ISE/101/05 Indentation Hardness Testing Committee at the British Standards Institution. He has been part of the British delegation to the International Standards Organization advising on the development of the standard ISO 6506 “Metallic materials – Brinell hardness test” and is the chairman and convenor for the current ISO revision of the standard.

For more information: Visit www.foundrax.co.uk

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El ensayo de dureza Brinell para principiantes

/ AUTOMOTIVE HEAT TREAT, AUTOMOTIVE HEAT TREAT TECHNICAL CONTENT, FEATURED NEWS, HARDENING TECHNICAL CONTENT, HARDNESS TESTERS TECHNICAL CONTENT

Cuáles son las características más deseables de un probador de dureza Brinell? Esta reseña del equipo le permitirá evaluar si debe o no incorporarlo a su departamento de tratamiento térmico.

Read the Spanish translation of this article in the version below or read the English translation when you click the flag to the right. Both the Spanish and the English versions were originally published in Heat Treat Today's August 2023 Automotive Heat Treat print edition.

Toda empresa dedicada al tratamiento térmico deberá practicar ensayos de dureza, algunos de ellos utilizando la medición Brinell que data desde el año 1900, lo que lleva a que se amerite el análisis de tan perdurable técnica. La prueba en mención requiere de un penetrador de bola de carburo de tungsteno que impacte de manera vertical sobre la superficie del material a ser ensayado, previamente ubicado éste sobre un yunque fijo. Paso seguido, se mide el diámetro de la “huella” generada por la bola, mínimo por los ejes “x” y “y,” y se toma el promedio de estas mediciones como cifra operativa de la que se pueda valer el técnico para establecer la dureza, bien sea alimentando una ecuación o mediante la lectura de una tabla de valores en la que se relacione diámetro frente a dureza.

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Para el ensayo Brinell se dispone de una amplia gama de cargas de fuerza, al igual que de diámetros de penetradores, reflejando la gran variedad de metales a ser probados; no obstante, en la mayoría de ensayos se implementa una bola de 10mm bajo una carga de 3.000 kg. En las grandes máquinas de apoyo a suelo por lo general el penetrador es motorizado, aunque otras operan a partir de palancas y pesas, mientras que también las hay hidráulicas o neumáticas.

Existen tres razones principales por las que la prueba Brinell no deja de ser el método más opcionado para la medición de la dureza en muchas industrias de tratamiento térmico.

1. Preparación de la superficie

La preparación de la superficie de una muestra para las pruebas Brinell toma solo unos segundos con una amoladora. Siempre que la muestra esté firmemente asentada sobre el yunque presentando la cara superior en dirección perpendicular a la dirección de la fuerza del penetrador, de acuerdo a lo exigido por las normas, no es necesario lograr una superficie demasiado lisa.

Figura 1. Robusto probador Brinell in situ

2. Contaminación de la superficie

Es poco probable que los contaminantes diminutos en una superficie generen una “prueba errónea” bajo un penetrador Brinell, a diferencia de la prueba de dureza Rockwell (el método más común en la industria). En esta prueba un pequeño indentador de diamante penetra menos de una centésima de pulgada, arrojando como resultado el que cualquier contaminante o anomalía en la superficie que pueda impedir o favorecer el progreso del penetrador (incluído el paralelismo) represente un problema, y obligando a que las muestras para la prueba Rockwell se deban preparar cuidadosamente antes de realizar la misma.

3. Portabilidad

Quizás el factor más significativo es que los robustos equipos portátiles de mano Brinell, con cabezales de prueba hidráulicos, permiten probar, in situ, piezas grandes, pesadas, de superficies rugosas o formas irregulares. Esta característica es de tal utilidad en la industria que ha motivado a que los órganos de normalización internacional otorguen una dispensación especial, una excepción si se quiere, a las máquinas portátiles, pese a que la ejecución de las mismas no sea susceptible de verificación directa como sí lo es la de sus equivalentes, las máquinas fijas.

Con fuerzas que van desde los 3000 kg hasta 1 kg, y bolas penetradoras tan pequeñas como 1 mm, las pruebas Brinell se pueden usar en una amplia gama de metales, pero los lugares en los que existiría la mayor probabilidad de encontrar un equipo de 10mm/3000kg son las forjas, las fundiciones, las plantas de tratamiento térmico, los laboratorios y las áreas de control de calidad. Previamente mencionamos que no se requiere que la superficie de las muestras de prueba sea absolutamente lisa; de hecho, es posible medir con un grado importante de precisión las superficies irregulares en materiales de configuración gruesa ya que el diámetro de la hendidura es tan grande en relación con cualquier irregularidad en la superficie.

Figura 2. Probador de Brinell, grado calibrador, en primer plano

En la Figura 2 se puede apreciar cómo un probador Brinell de grado calibrador introduce la bola de carburo de tungsteno en la muestra de prueba. Se mantiene la bola en posición para estabilizar la deformación plástica.

Las normas que rigen de manera detallada las pruebas Brinell son la ASTM E-10 y la ISO 6506, pero el procedimiento práctico para los técnicos es muy sencillo, tanto que el entrenamiento no debería tardar más de una hora. Para ensayar piezas forjadas, palanquillas y otras muestras, una hendidura debería bastar aunque, desde luego, en ciertas aplicaciones de extrema importancia se podrá utilizar más de una para mayor seguridad.

Saber si analizar o no cada muestra en un lote determinado deberá decidirse con base en la inconsistencia de las muestras mismas, más no responde a problemática alguna con las pruebas de Brinell en sí. En ciertas industrias se prueba cada pieza que se produce debido a que el riesgo de error es demasiado alto. Un buen ejemplo lo encontramos en la producción de los componentes de los eslabones para las orugas utilizadas en tanques y maquinaria pesada (retroexcavadoras y demás). Cada eslabón de cada oruga de un tanque en uso en el ejército británico ha sido probado por Brinell en una máquina totalmente automática, de alta velocidad, que cuenta con una poderosa abrazadera integral para mantener el componente absolutamente rígido durante la prueba. Por cierto, esa máquina es la de la primera foto. Con un cuidado adecuado y razonable, un probador Brinell robusto podrá generar cientos de miles de pruebas; de hecho, el probador de la Figura 1 ha realizado varios millones.

Las pruebas duran aproximadamente quince segundos ya que el penetrador se debe dirigir hacia el material de manera uniforme sin permitir la posibilidad de un “rebote” y evitando por completo llegar a golpear el material. Por otro lado, el metal debe recibir la presión por un período de tiempo suficiente que garantice que la hendidura se deforme de la manera más plástica posible, es decir, minimizando al máximo el riesgo de la más ligera contracción de la hendidura una vez retirado el penetrador.

Figura 3. Medición de una hendidura de prueba de dureza Brinell

Sin embargo, es en este punto que se presentan las complicaciones. Después de generar cuidadosamente la hendidura y retirar la muestra de prueba de la “boca” de la máquina probadora, es necesario medir la hendidura en al menos dos diámetros. Dado que las hendiduras de Brinell tienen como máximo 6 mm de ancho y que una diferencia de 0,2 mm en el diámetro podría equivaler a 20 puntos de dureza, obtener la medición correcta es esencial y de alta complejidad. La mayoría de los técnicos usan un microscopio iluminado para lograrlo, pero aún así puede ser un desafío. Considere la Figura 3.

Los microscopios de medición manual han mejorado a lo largo de los años, y cuando se obtiene una hendidura relativamente “limpia” con una retícula nítidamente iluminada, se le puede facilitar al técnico experimentado realizar una medición precisa. La Figura 4 presenta un escenario menos complejo que el anterior pero, aun así, ¿cómo podemos saber si realmente se ha juzgado con precisión la posición del borde?

Figura 4. Medición con microscopio mejorado y retícula bien iluminada.

Al crearse la hendidura se genera un cordoncillo en el perímetro de la misma debido a que el metal no solo presiona hacia abajo, sino también hacia los lados. Este cordoncillo puede difi cultar la ubicación del punto en el que comienza realmente la hendidura, y tres técnicos diferentes pueden hacer fácilmente tres estimaciones diferentes de su lugar de inicio. Es esta variación en la interpretación de los resultados por parte de los operadores la que ha llevado a que, durante más de 80 años, la prueba Brinell se haya considerado un poco “ordinaria”, apta tal vez para el maquinista en el taller, pero de dudoso valor para el científi co en el laboratorio.

En 1982 llegó a los mercados el primer lector automático, siendo éste la culminación de años de investigación, y valiéndose de software privado que llevó a las computadoras de la época a sus límites. El equipo podía hacer cientos de mediciones de un lado a otro de la hendidura y calcular el diámetro medio en una fracción de segundo. Poco después llegó a ser parte integral de una máquina de prueba Brinell. La noticia de la aparición de este equipo pronto llegó a algunos usuarios importantes en la industria de las herramientas petroleras quienes exigieron a sus proveedores valerse de él; quince años más tarde se había diseminado ampliamente el uso de esta tecnología generando la transformación de la percepción que se tenía de la prueba Brinell. Podríamos decir que la prueba Brinell había llegado a la mayoría de edad.

Figura 5. La última versión de ese microscopio automático en acción

Desde luego, como con cualquier equipo de medición importante, la calibración y el mantenimiento regulares son aconsejables, si no obligatorios. Los fabricantes mismos suelen estipular un cronograma de mantenimiento que se debe tener en cuenta junto con las reglas de calibración establecidas por las agencias internacionales.

Al considerar las opciones para la prueba de dureza en muestras con tratamiento térmico, en última
instancia existen tres métodos: Brinell, Rockwell y Microdureza (Vickers o Knoop).

Pese a que no es adecuada para muestras muy pequeñas o demasiado delgadas, la prueba Brinell es relativamente “inmune” a los contaminantes pequeños, los penetradores no son costosos, y, gracias al ancho de la hendidura, las pruebas de superficies con acabado áspero e irregular no presentan dificultades. Con el desarrollo, hace 40 años, de la medición automática de la hendidura, se superó la única deficiencia grave de la prueba Brinell, proporcionando las garantías que tan vital importancia revestían para los proveedores de piezas esenciales en industrias de toda índole, incluídas las de petróleo y gas, aeroespaciales y de defensa y transporte.

Sobre el autor: Alex Austin se viene desempeñando desde 2002 como gerente de Foundrax Engineering Products Ltd. Foundrax es proveedor de equipos de prueba de dureza Brinell desde1948, siendo en realidad la única compañía en el mundo especializada en el campo.

Alex funge en el Comité de Prueba de Dureza por Hendidura ISE/101/05 del British Standards Institution. En su calidad de miembro de la delegación británica de la Organización Internacional de Normalización, ha aportado como consultor para el desarrollo de la norma ISO 6506 “Materiales metálicos–prueba de dureza Brinell” y preside en la actualidad la revisión ISO de dicha norma.

Mayor información en www.foundrax.co.uk

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10 pasos para solucionar las fallas en un equipo de inducción

/ FEATURED NEWS, HARDENING TECHNICAL CONTENT, INDUCTION HEATING EQUIPMENT TECHNICAL CONTENT, INDUCTION HEATING TECHNICAL CONTENT, MANUFACTURING HEAT TREAT

OC

Nikola Tesla afirmó: <<Si quieres descubrir los secretos del universo, concéntrate en la energía, la frecuencia y la vibración.>>

Al revisar los mecanismos internos de un sistema de inducción es posible evidenciar cada uno de estos tres elementos. Los 10 pasos de esta guía servirán para apoyar a los operadores de departamentos internos de tratamiento térmico en entender los secretos de la inducción para así identificar posibles escollos en tales sistemas y dar solución a problemas comunes que se puedan presentar.

This original content article was first written by Alberto Ramirez, engineer of Power Supply and Automation at Contour Hardening, Inc. and an honoree from Heat Treat Today’s 40 Under 40 Class of 2021, for Heat Treat Today's May 2023 Sustainable Heat Treat Technologies print edition. Read the Spanish version below, or click the flag above right for the English version.

Puedes hacerlos llegar a Bethany Leone al correo bethany@heattreattoday.com

Alberto Ramirez
Power Supply and Automation Engineer
Contour Hardening, Inc.

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Los metales pueden calentarse mediante el proceso de inducción electromagnética, mediante el cual un campo magnético alternativo cerca de la superficie de una pieza de trabajo metálica (o conductora de electricidad) induce corrientes de Eddy (y, por lo tanto, calentamiento) dentro de la pieza de trabajo.

Los sistemas de inducción pueden llegar a ser sistemas complejos que tienen como objetivo endurecer piezas o secciones específicas de un componente mecánico, dependiendo del grado de complejidad de la pieza a tratar; para el profesional, el desafío será el diagnóstico de los problemas que se lleguen a presentar.

1. Familiarízate con el proceso

Figura 1. Proceso de endurecimiento por inducción
Source: Contour Hardening, Inc.

El proceso de inducción envuelve muchas características tales como: posición de la pieza dentro de la bobina de inducción, posiciones de carga, posiciones de enfriamiento, tiempos de ciclo, potencia eléctrica aplicada, entre otras. Es importante que el profesional sea capaz de identificar la falla y la situación particular en el momento en el que se está presentando.

En algunas ocasiones las fallas no son evidentes y, por ende, es indispensable analizar la pieza que ha sido tratada; este análisis puede ser clave para entender situaciones tales como: falta de profundidad de capa por potencia eléctrica o disminución en la frecuencia de salida, entre otros posibles escenarios.

Adicional al análisis de la pieza, es vital inspeccionar la “escena del crimen” ya que muchos de los sistemas de inducción, dada la naturaleza del proceso y el peligro que implica manejar altos potenciales eléctricos, suelen ser en extremo automatizados y las estaciones de trabajo de difícil acceso para el personal, así que una buena estrategia de trabajo consiste en observar detenidamente las condiciones generales del equipo para determinar el punto de inicio para la resolución del problema.

2. Identifica los componentes principales de tu sistema de inducción, así como los mecanismos de seguridad para ciertas zonas en particular

Entender la interrelación del sistema es importante para comprender qué elemento realiza cierta acción, así como los canales de comunicación entre ellos. Una vez que se genere este conocimiento, se puede asociar una falla a un componente en particular. Usualmente los sistemas de inducción se componen de los siguientes elementos:

Figura 2. Componentes de un sistema de inducción
Source: Contour Hardening, Inc.

Como mencionamos con anterioridad el proceso implica altos potenciales eléctricos, y para eso la naturaleza de las fuentes de alimentación involucra dispositivos electrónicos de potencia, como capacitores eléctricos, los cuales almacenan energía y, por ende, es importante descargar eléctricamente el sistema antes de comenzar a inspeccionar un equipo.

3. Ten preparadas las herramientas necesarias para realizar un buen análisis del problema

Figura. Capacitores
Source: Contour Hardening, Inc.

Al igual que cualquier problem técnico, el uso de la herramienta mecánica es indispensable al realizar algún tipo de proyecto, pero para el diagnóstico de una falla en un equipo de inducción es importante contar con:

  • Osciloscopio
  • Generador de funciones
  • Amperímetro
  • Multímetro digital y analógico.
  • Sondas de alto voltaje

Sin estos elementos es muy difícil llegar a un diagnóstico fiable, y  la posibilidad de encontrar la falla es mínima. Por ende, tener estos medidores en buen estado y, sobre todo, calibrados nos da una perspectiva más clara del problema.

4. Verifica que los sensores del proceso, los monitores de energía y las bobinas de inducción funcionen correctamente

Existen distintos medidores que recogen información acerca del proceso; esta información en su mayoría puede ser visualizada a través del HMI (Human Machine Interface), y, en muchas ocasiones, una buena manera de comenzar a entender el problema es recopilar la información del proceso. Si los medidores no funcionan correctamente, te pueden llevar a conclusiones erróneas.

Verifica que los medidores de energía estén funcionando correctamente, así como tus señales de entrada y de salida.

Las bobinas de inducción son un elemento clave en el proceso de inducción ya que acorde a su geometría generan los campos magnéticos adecuados para lograr los resultados metalúrgicos esperados. Si existen fugas de agua o los elementos de transmisión eléctrica se encuentran sueltos o sucios, seguramente podrán ser la raíz del problema. Es importante comenzar a realizar el diagnóstico de la falla una vez se haya descartado este circuito en particular.

Figura 4. Ejemplo de parámetros de energía
Source: Contour Hardening, Inc.

5. Realiza estudios de energía constante en tu subestación para identificar posibles problemas en tu suministro de energía, así como tiempos críticos

La energía eléctrica es la fuente principal en un proceso de inducción; las fuentes de alimentación transforman y potencializan este recurso para crear campos electrónicos lo suficientemente fuertes para generar el calor en la pieza.

Por ende, es importante descartar con evidencia que el problema en cual nos encontramos no se debe a una falla del sistema eléctrico del cual nuestro sistema de inducción forma parte. De igual manera entender cómo se comporta nuestro sistema eléctrico nos puede ayudar a generar patrones de comportamiento que puedan determinar la solución en momentos específicos en los que se lleguen a presentar.

6. Trabaja de forma metódica documentando tus movimientos y realiza un paso a la vez

Los sistemas de inducción pueden ser muy intimidantes si no has tenido experiencia previa, y, al igual que con cualquier elemento o situación, es importante abordar de manera lógica el problema analizando el modo de la falla, identificando las partes principales que interactúan en ese preciso momento, y, a partir de este análisis, documentar y realizar pequeños pasos, uno a la vez, ya que, de no ser así, es muy probable que pierdas todo el trabajo realizado y la situación empeore.

Figura 5. Antes y durante un arco eléctrico dentro de la línea de transmisión
Source: Contour Hardening, Inc.

Si los movimientos no son exitosos, siempre puedes regresar a tu punto de partida e intentar otro acercamiento. La idea consiste en que el modo de la falla se mantenga estable sin importar los movimientos realizados hasta que se resuelva el problema. De esta manera lograrás contener la falla; de otra manera podrías estar dañando otros elementos sin darte cuenta.

Es muy importante entender que los procesos son secuencias que anteceden y preceden a nuevos eventos; si entiendes el proceso y, una vez resuelto el problema, ahora tienes una nueva falla, es importante analizar si esta falla es la continuación del proceso ya que, de ser así, es posible que te encuentres frente al caso de un evento que está desencadenado una serie de fallas y se haga necesario practicar un análisis más profundo. La idea general es llegar a la raíz del problema y mitigar el riesgo.

7. Intenta cualquier posibilidad relacionada con el proceso sin importar que la relación entre ésta y el problema no sea directa

Un pensamiento lógico puede resolver la mayoría de las fallas técnicas de un sistema, pero, para fallas excepcionales, es necesario utilizar la imaginación y agotar todos los recursos posibles ya que el área de interés más insignificante o el lugar menos pensado puede ser la clave para resolver un problema.

8. Conoce tus fuentes de alimentación

Uno de los factores claves en cualquier equipo de inducción son sus fuentes de alimentación. Las fuentes de alimentación son equipos que no requieren un mantenimiento tan arduo en comparación con otros sistemas en la industria, pero, de no presentarse las condiciones mínimas de mantenimiento, pueden generar altas pérdidas para la organización.

Figura 6. Diagrama de flujo del proceso eléctrico en una fuente de alimentación
Source: Contour Hardening, Inc.

En los casos en los que el problema se encuentra en las fuentes de alimentación, es vital que se siga el mismo proceso metódico previamente descrito. Entender cómo funciona el proceso de transformación de la energía te dará una ventaja, al igual que conocer los componentes empleados o el tipo de tecnología utilizado en el proceso de rectificación, en la inversión (estado sólido o tubos de electrones) y en el circuito resonante. Generalmente las fuentes de alimentación siguen el siguiente patrón de transformación (Figura 6).

9. Identifica las partes críticas de tu equipo de inducción y prepara un inventario de éstas

Figura 7. Daño en una bobina de inducción
Contour Hardening, Inc.

Usualmente los componentes que forman parte de las fuentes de alimentación son difíciles de conseguir dependiendo de la antigüedad de tu equipo, y con la reciente crisis de microchips en el mercado, existen tiempos de entrega muy largos para los elementos de control y automatización; de igual manera, los precios de los mismos se han disparado. Por ende, es vital que exista una lista de partes críticas y un inventario de éstas.

Adicionalmente a los elementos descritos, las bobinas de inducción suelen ser elementos muy característicos e importantes en el proceso de inducción. Éstas bobinas son elementos complejos que han sido diseñados exclusivamente para la pieza, por lo que su fabricación puede tomar varias semanas, y es importante tomar las precauciones necesarias para mantener un movimiento de mantenimiento constante.

10. Realiza mediciones preventivas al sistema para generar un patrón de comportamiento

Figura 8. Ejemplo de posibles mediciones
Contour Hardening, Inc.

Cuando el sistema se encuentre trabajando en óptimas condiciones, genera un plan de medición el cual te permita recopilar información de puntos específi cos dentro del sistema. Una vez que se vuelva a presentar una nueva falla puedes comparar las mediciones de falla contra las del buen funcionamiento. Algunos ejemplos de mediciones pueden ser:

  • Temperatura
  • Voltaje
  • Corriente eléctrica
  • Resistencia y capacitancia
  • Formas de onda

En resumen

Una metodología de trabajo ordenada y documentada, un buen catálogo de piezas de recambio, junto con las herramientas de trabajo necesarias, pueden ser elementos clave para entender un problema y, lo que es más importante, resolverlo de forma eficaz.

Es vital que los profesionales se capaciten de manera constante para mejorar los tiempos de paro debido a fallas en los sistemas de inducción. La capacitación relacionada con procesos metalúrgicos sería una buena forma de complementar tus habilidades de resolución de problemas permitiéndote interpretar las características de los sistemas de inducción, al igual que de los elementos que los componen.

 

Bibliografía

Valery Rudnev and George Totten, ed., ASM Handbook Volume 4C: Induction Heating and Heat Treatment, (Materials Park, OH: ASM International Heat Treating Society, 2014), 581- 583

 

Sobre el autor: Alberto C. Ramirez es ingeniero en Mecatrónica egresado del Instituto Tecnológico Nacional de México Campus León con una maestría en Administración de Tecnologías de la Información por el Instituto Tecnológico de Monterrey. Cuenta con más de 8 años de experiencia en fuentes de alimentación, gestión de proyectos, mantenimiento y automatización. Actualmente se desempeña como ingeniero de fuentes de alimentación y automatización en Contour Indianapolis. Alberto inició su carrera en la fi lial de Contour en México y debido a su dedicación forma parte del staff en los Estados Unidos.

He is also an honoree from Heat Treat Today's 40 Under 40 Class of 2021.

Para más información:

Contacta a Alberto escribiendo a: aramirez@contourhardening.com.

 

 

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Como se logró la primera horneada de HIP en Latinoamérica

/ AEROSPACE HEAT TREAT, AEROSPACE HEAT TREAT TECHNICAL CONTENT, FEATURED NEWS, HIPING NEWS

OCEn diciembre de 2022, se realizó la primera horneada de HIP en suelo latinoamericano. El camino hacia el éxito en HIP, como cualquier usuario de HIP estará de acuerdo, es un camino lleno de baches. ¿Cuáles son los desafíos que deben tener en cuenta los fabricantes aeroespaciales con tratamiento térmico interno al considerar el procesamiento HIP? Aprenda directamente de HT-MX Heat Treat & HIPing, un tratador térmico que ejecutó la primera horneada de HIP en la historia de Latinoamérica, cómo navegaron la transición desde trabajos pequeños de herramentales hasta el procesamiento HIP para piezas aeroespaciales.

Read the Spanish translation of this article in the version below, or see both the Spanish and the English translation of the piece where it was originally published: Heat Treat Today's March Aerospace Heat Treating print edition.

Si quisieras aportar otros datos interesantes relacionados con HIP, nuestros editores te invitan a compartirlos para ser publicados en línea en www.heattreattoday.com. Puedes hacerlos llegar a Bethany Leone al correo bethany@heattreattoday.com

De herramientas simples al tratamiento térmico aeroespacial

Humberto Ramos Fernández
Founder and CEO
HT-MX

Escribir esta historia de como llegamos a ser la primera compañía latinoamericana en ofrecer prensado isostático en caliente acreditado por NADCAP trae a la mente una avalancha de recuerdos e imágenes. Los comienzos de HT-MX fueron simples, pero también llenos de desafíos, fracasos y lecciones. Cuando comenzamos la compañía, estábamos seguros de que, aunque éramos pequeños, éramos una “planta de tratamiento térmico” y no solo un taller.

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Estando ubicados en México quiere decir que hay grandes plantas con corporativos lejos de aquis — clientes potenciales — que estarían decidiendo sobre su proveedor de tratamiento térmico lejos de nuestra ubicación. Trabajamos arduamente para ser y presentarnos como profesionales y confiables. Pero pronto aprendimos que lograr la confi anza con los clientes requiere mucho más que un buen discurso y una planta limpia.

Como era de esperar, los primeros trabajos fueron trabajos simples de herramentales, algunos templados y revenidos de herramentales y carburizado de engranes. Recuerdo como un ingeniero junior y yo dábamos la vuelta en mi viejo hatchback alrededor de talleres locales y recogíamos un pequeño eje o engranaje y lo llevábamos de regreso a la planta. Nos emocionábamos mucho cuando lográbamos la profundidad de capa correcta.

HT-MX Team
Source: HT-MX Heat Treat & HIPing

Con recursos mínimos, decidimos implementar el sistema de calidad nosotros mismos. Nos hicimos amigos de un gerente de calidad de una empresa local, venía a ayudarnos los fines de semana o después de las 6:00 p.m. hasta que llegó la fecha de la auditoría. Su enseñanzas aún se usan en HT-MX hasta el día de hoy. Recuerdo celebrar con una “Carne Asada” cuando terminamos esa primera auditoría, pensando que habíamos dado un gran paso adelante, sin darme cuenta de lo lejos que aún estábamos de nuestra visión.

Con el tiempo, dirigimos nuestra atención a la industria aeroespacial en Chihuahua, una ciudad con cuatro OEMs. Recibimos la certificación AS9100 y comenzamos a trabajar en la acreditación NADCAP. Esto requirió tiempo, pero para entonces contábamos con un equipo de Ingenieros bastante sólido y obtuvimos con éxito la acreditación de NADCAP a finales de 2019. Nuevamente, celebramos con una Carne Asada, esta vez con una mejor comprensión de dónde estábamos y qué futuros desafíos tendríamos que enfrentar.

Entrándole al Prensado Isostático en Caliente

La pandemia llegó. La crisis del 737 Max de Boeing continuó afectando a la industria. Empezar en sector aeroespacial fue lento y con un volumen limitado, especialmente en comparación con lo que habíamos visto en la industria automotriz y de oil&gas. Pero para entonces, las empresas internacionales estaban más dispuestas a trasladar las operaciones de tratamiento térmico a proveedores mexicanos, y estábamos listos, comenzando a procesar aluminio, endurecimiento por precipitación, recocido y otros procesos estándar. Fue durante estos inicios en la industria aeroespacial que escuchamos hablar del prensado isostático en caliente (HIP) por primera vez.

Alrededor de 2019, durante un evento del Cluster Aeroespacial de Chihuahua, un OEM con presencia local se acercó a nosotros con sus requerimientos de HIP. No conocíamos mucho de HIP, pero de inmediato me interesé . . . ¡hasta que descubrí cuánto cuesta una de esas máquinas!

Pero un buen financiamiento a través de programas gubernamentales ayudó a hacer realidad este proyecto de HIP. El momento no fue el mejor, ya que las elecciones federales en México causaron una depreciación temporal de la moneda mexicana, lo que obstaculizó el proyecto al principio.

HIP system at HT-MX
Source: HT-MX Heat Treat & HIPing

Obtener las certificaciones y validaciones adecuadas resultó ser un proceso largo y complejo también. Teóricamente, sabíamos qué esperar en términos de obtener la aprobación para el checklist de NADCAP, pero la realidad fue un poco diferente. Obtener la certifi cación de NADCAP construye lentamente una determinada cultura en cualquier empresa en sus actividades diarias. Traducir esa cultura a una unidad de negocio completamente diferente, con un nuevo equipo y un nuevo proceso, demostró traer sus propios desafíos.

Retos en el HIP: presión, temperatura, termopares y argon

El tratamiento térmico generalmente trata de temperatura, control de la atmósfera (o la falta de ella) y los requisitos regulares de trazabilidad. HIP, sin embargo, agrega algunas dimensiones nuevas a lo que normalmente vemos: presión interna, temperaturas muy altas, de hasta 3632°F (2000°C) y suministro de argón. Fue la primera vez que HT-MX lidiaba con un proceso que incorporaba hasta 30,000 psi y también usaba mucho argón de alta pureza.

La presión tiene sus propios desafíos, aunque la prensa de HIP se encarga de ellos. Aún así, el funcionamiento interno en este tipo de prensas es fundamentalmente diferente al de un horno de tratamiento térmico regular. Sí, necesitas calentarlo, pero aparte de eso, no es ni siquiera un horno, sino una prensa. Comprender cómo funciona la máquina, qué sucede dentro con toda esa presión, cómo afecta a los componentes sometidos a prensado isostático en caliente y cómo afecta a las canastas y fi xtures que estás utilizando, es una curva de aprendizaje crítica.

Las altas temperaturas cambian todo sobre el funcionamiento de estos tipos de ciclos. Trabajamos con metales, lo que significa que las temperaturas oscilan entre 1832°F y 2372°F (1000°C y 1300°C). Esto tiene un impacto en la selección de termopares, calibración y más; con los proveedores de termopar basados en EUA, esto implica más desafíos y costos adicionales. He perdido la cuenta cuantos viajes urgentes de ida y vuelta por refacciones a la frontera he hecho. ¡Es un viaje redondo de 800 km! Afortunadamente, hemos encontrado un gran proveedor que nos ha ofrecido la retroalimentación técnica que necesitábamos, y finalmente hemos comenzado a comprender y controlar nuestro consumo de termopares. Aunque, debo ser honesto aquí, todavía tenemos mucho que aprender en este aspecto.

Luego está el suministro de argón. En HT-MX nunca esperamos que fuera un desafío, pero resulta que conseguir el proveedor adecuado, un que entienda los requisitos y esté dispuesto a trabajar contigo desde la validación hasta la producción, es clave. Es posible que puedas iniciar tu proceso de validación usando argón transportado en contenedores de gas, pero eventualmente necesitarás cambiar a argón líquido. Eso resultó ser más difícil de lo esperado. No hay muchos proyectos que requieran este tipo de alianzas a nivel local. Conseguir el proveedor adecuado fue clave y resultó ser un desafío mayor de lo esperado. Y luego vinieron las lecciones sobre cómo utilizar eficientemente el argón líquido, evitar el excesivo venteo del tanque y ser inteligente con el calendario de HIP en general. Esto ha sido un proceso de aprendizaje constante, uno que tiene altos costos.

Últimos obstáculos: certificaciones, eventos globales y costos energéticos

Una vez que nuestra empresa obtuvo la certificación NADCAP, todavía necesitábamos la aprobación de los OEM para el proceso HIP, luego la aprobación para la versión específica del proceso HIP y luego la aprobación real para los números de parte.

Estas aprobaciones fueron manejadas por el departamento de ingeniería del corporativo y no localmente. Fue un proceso que consumió mucho tiempo, con varias pruebas, pruebas de laboratorio, múltiples auditorías, visitas y más pruebas, etc. Y mientras todo esto sucedía, todavía teníamos que diseñar la operación, localizar proveedores críticos que no estaban disponibles en México, crear alianzas con proveedores, etc. Escribir esto en pocas líneas parece más simple y rápido de lo que realmente fue.

HT-MX Nadcap certification
Source: HT-MX Heat Treat & HIPing

Además, en casos como este, las empresas mexicanas, especialmente las pequeñas, enfrentan mucho más escrutinio que las empresas estadounidenses o europeas, y deben probarse en cada paso. Tiene sentido, aunque se siente un poco injusto, ya que HT-MX no tenía un historial comprobado de procesos de alta tecnología como HIP. Cuesta tiempo extra, cuidado adicional y a veces pruebas adicionales, pero es la realidad que enfrentamos y debemos superar los obstáculos adicionales.

Mientras navegábamos en la aprobación de HIP, llegó la pandemia. Meses después, comenzó la guerra en Europa con impactos significativos en el costo de la energía. Nuestros principales clientes eran de alto volumen y bajo margen, y con el aumento de los precios de la energía, nuestra competitividad comenzó a disminuir. Para adaptarnos y evolucionar, decidimos agregar algunos hornos más pequeños para piezas más pequeñas, invertir en capacitación y aumentar los esfuerzos de ventas y enfocarnos en clientes basados en AMS / NADCAP, dejando ir a clientes principales. Poco a poco, las cosas comenzaron a mejorar.

La Primera Horneada Ofi cial de HIP en la Historia de Latinoamérica

En diciembre de 2022, HT-MX llevó a cabo la primera horneada oficial de HIP en la historia de Latinoamérica. Tomo bastante tiempo. Siempre pensé que hacer esa primera horneada se sentiría como llegar a la cima del Everest. Cuando llegó el día, solo se sintió como llegar al campamento base del Everest. Todavía nos queda mucho camino por recorrer para ser realmente un proveedor de HIP establecido. Ahora, volvemos a escalar y apuntamos a esa cima, esa cima que perpetuamente precederá a la próxima cima.

Todavía hay varios desafíos: estabilizar nuevos procesos y mejorar los establecidos. Pero estoy seguro de que avanzaremos en esta nueva etapa. Y estoy muy emocionado por la próxima Carne Asada.

Acerca del Autor:Humberto Ramos Fernández es un ingeniero mecánico con una maestría en Ciencia. Tiene más de 14 años de experiencia industrial y es el fundador y actual CEO de HT-MX Heat Treat & HIPing, que se especializa en tratamientos térmicos de atmósfera controlada, con certifi cación NADCAP, para las industrias aeroespacial, automotriz y de petróleo y gas. Con clientes que van desde OEM hasta Tier 3, el Sr. Ramos tiene una amplia experiencia en el desarrollo de procesos secundarios específi cos de alta complejidad para los requisitos más exigentes.

Contacto Humberto humberto@ht-mx.com

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¿Cómo elegir el termopar correcto en Tratamientos Térmicos?

/ FEATURED NEWS, MANUFACTURING HEAT TREAT, THERMOCOUPLES TECHNICAL CONTENT

OCLos termopares: elementos indispensables para lograr un acertado tratamiento térmico, pero ¿cómo elegir el más indicado para su necesidad particular? ¿Qué exigen las normas actuales? A continuación una explicación, por Víctor Zacarías, director general de Global Thermal Solutions México, que le ayudará a saber escoger el termopar adecuado.

Palabras clave: Termopar, Tratamiento térmico, Pirometría, Medición y Control de Temperatura, AMS2750, CQI-9

Read the Spanish translation of this article in the version below, or see both the Spanish and the English translation of the piece where it was originally published: Heat Treat Today's February's Air & Atmosphere Furnace Systems print edition.

Si quisieras aportar otros datos interesantes relacionados con los termopares, nuestros editores te invitan a compartirlos para ser publicados en línea en www.heattreattoday.com. Puedes hacerlos llegar a Bethany Leone al correo bethany@heattreattoday.com

Víctor Zacarías
Director General
Global Thermal Solutions México

La norma aeroespacial SAE AMS2750 y las evaluaciones automotrices de AIAG CQI-9, CQI-11, CQI-12, y CQI-29 son los estándares universalmente aceptados para el control de temperatura en operaciones de procesamiento térmico. Entre muchas cosas, describen los requisitos para el uso y control de los termopares empleados en hornos y estufas de proceso. En este artículo te comparto los requisitos de estas normativas para que puedas tomar una decisión correcta al elegir un termopar y de esta manera contar con una medición repetible que te asegure un proceso confiable.

1. Aplicación

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Para la selección apropiada de un termopar para la medición, control y/o registro de la temperatura debes considerar en primer lugar el tipo de proceso previsto. En la elección del termopar adecuado, toma en cuenta algunos factores que pudieran alterar su desempeño como:

  • El rango de temperatura en el que estará en uso
  • El tipo de atmósfera al que estará expuesto
  • Posible interferencia eléctrica
  • La precisión requerida por la especificación aplicable, etc.

En función de lo anterior, las normativas refieren una clasificación específica para los termopares en función de su fabricación y su aplicación final:

a) Termopares base y termopares nobles
b) Termopares desechables y no desechables

2. Tipos de termopar y su aislamiento

2.1 Termopar base o termopar noble

Un termopar base está fabricado de aleaciones básicas como hierro, cromo, níquel, cobre, etc., y constituyen los tipos más comunes en la industria por su versatilidad y costo: los termopares tipo K, E, J, N, y T. Un buen proveedor de sensores te recomendará un termopar de este tipo en función de la aplicación, el rango de temperatura y tu presupuesto (ver Tabla 1).

Tabla 1: Rango de temperatura y uso de los termopares más comunes
Source: GTS México

Por otro lado, un termopar noble está fabricado a partir de metales como platino y rodio: termopares tipo R, S y B. Éstos termopares son más estables a altas temperaturas y mantienen su precisión por mayor tiempo; sin embargo, tienen un costo elevado debido a que se fabrican a partir de metales preciosos. Debido a esta naturaleza, los termopares nobles son la elección preferida para aplicaciones de tratamiento térmico al vacío y procesos de alta temperatura.

2.2 Termopares desechables o no desechables

El segundo criterio de las normativas lo constituye el material con el que se protegen los elementos del termopar.

Los termopares desechables son aquellos cuyos elementos están revestidos por materiales como fibra de vidrio, tejido cerámico o recubrimiento polimérico y generalmente se suministran en forma de carrete o bobina. Esta presentación permite al usuario cortar el cable a la medida y fabricar el termopar al unir los dos alambres de un extremo por torsión o soldadura, lo que los hace ideales por ejemplo para aplicaciones de un solo uso como una prueba TUS o termopares de carga (ver Figura 1).

Figura 1: TUS usando termopar desechable tipo K aislado en fibra cerámica
Source: Trucal, Inc.

En contraste un termopar no desechable normalmente está protegido con aislamiento cerámico o mineral y revestido en su exterior por una carcasa metálica (los elementos no están expuestos en esta configuración), lo que le proporciona un mayor tiempo de vida útil y por eso se prefieren para emplearse como termopares de control o registro (ver Figura 2).

Figura 2: Termopares no desechables tipo N y K de aislamiento mineral
Source: GTS México

Cualquiera que sea la aplicación, cuando se requiere realizar interconexiones de cableado para la instalación del sensor, dichas conexiones se deben realizar usando conectores y terminales estándar como las que se muestran en la Figura 3, ya que tanto AMS2750 como CQI- 9 prohíben el empalme del cableado.

Figura 3: Conectores estándar tipo K
Source: GTS México

3. Calibración

De acuerdo con la normatividad, todos los termopares usados en operaciones de procesamiento térmico deben haber sido calibrados antes de usarse por primera vez. Para ello, el usuario del termopar debe asegurarse de contar con calibraciones trazables al laboratorio nacional como lo es el NIST en Estados Unidos o su equivalente en México (CENAM).

Las normas de pirometría defi nen los rangos aceptables de error para los termopares en función de su aplicación fi nal: 1) termopares patrón, 2) termopares de prueba (SAT y TUS), 3) termopares de control y registro y 4) termopares de carga. La Tabla 2 describe los máximos errores permitidos a elegir dependiendo del uso del sensor.

Tabla 2: Precisión requerida para sensores de temperatura según AMS2750 y CQI-9
Source: GTS México

Una vez instalado el termopar, el responsable de la operación de tratamiento térmico tiene que deberá documentar la fecha en la que éste entra en servicio, ya que la norma establece un tiempo de vida útil de un sensor en función de la aplicación del mismo.

Al recibir el reporte/certifi cado del termopar, el usuario debe revisar el contenido del documento, pues las normas también definen de manera específi ca la información mínima que debe aparecer en un informe de calibración, que incluye pero no se limita a:

1. Lecturas de prueba
2. Lecturas observadas
3. Factores de corrección
4. Fuente de los datos
5. Acreditación del laboratorio
6. Método de calibración empleado

El certifi cado de calibración puede amparar termopares individuales o un grupo de termopares fabricados a partir del mismo lote (carrete).

Es muy importante observar que tanto AMS2750 como CQI-9 requieren que todas las calibraciones sean realizadas por organismos acreditados en la norma ISO/IEC 17025, por lo que siempre recomiendo que revises el certifi cado de acreditación antes de seleccionar a tu proveedor.

4. En Resumen

Si alguna vez has comprado el termopar equivocado, se lo molesto que puede resultar. Por lo tanto aquí te comparto un resumen para seleccionar el sensor adecuado para su aplicación en 5 sencillos pasos:

1. Define el tipo de termopar: base ( K, T, J, E , N, y M) o noble (S, R, y B)
2. Define el tipo de aislamiento que requieres: fibra textil, polímero, cerámico, metálico, etc.
3. Especifi ca el rango exacto de temperatura en el que operará el sensor
4. Especifi ca el uso del sensor: termopar patrón (estándar), termopar para SAT/TUS, termopar de control / carga
5. Solicita el certifi cado de calibración conforme a la normativa aplicable (AMS2750 o CQI-9)

 

Referencias

ASTM International. ASTM E230, Standard Specification for Temperature-Electromotive Force (emf) Tables for Standardized Thermocouples, Rev. 2017.

Automotive Industry Action Group. CQI-9 Special Process: Heat Treat System Assessment, 4th Edition. June 2020

International Organization for Standardization. ISO/IEC 17025, General Requirements for the Competence of Testing and Calibration Laboratories, 3rd Edition. 2017.

Nadcap AC7102/8 Audit Criteria for Pyrometry, Rev. A, 2021

SAE Aerospace. Aerospace Material Specifi cation AMS2750: Pyrometry, Rev. G, 2022.

 

Sobre el autor: Víctor Zacarías es ingeniero metalúrgico egresado de la Universidad Autónoma de Querétaro con estudios en Gerencia Estratégica por parte del Tec de Monterrey. Con más de 15 años de experiencia en la gestión de tratamientos térmicos, actualmente es director general de Global Thermal Solutions México. Víctor ha realizado numerosos cursos, talleres y evaluaciones en México, Estados Unidos, Brasil, Argentina y Costa Rica y ha participado en el Grupo de Trabajo de Tratamiento Térmico de AIAG (CQI-9) y en el Comité de Ingeniería de Materiales Aeroespaciales de SAE.

Contact/Contacto Victor: victor@globalthermalsolutions.com

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