Pernos Molino SAG Cabeza Forjada

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA METALÚRGICA

ACEROS “Perno Molino SAG cabeza forjada”

Profesor:

Santiago Riveros

Estudiantes:

Alejandro Herrera Homero Luis Ana Maureira Matias Meza

Fecha de entrega:

08 de Octubre 2016

Departamento de Ingeniería en Metalurgia

Profesor: Santiago Riveros

Resumen

Los pernos utilizados en el armado de molino SAG deben cumplir con grandes requerimientos en términos de esfuerzos y fatigas, dado a esto no pueden fallar sin antes tener un largo tiempo de vida útil es por esto que en el siguiente documento se podrá ver, aprender e informarse sobre las normas que rigen la fabricación de estos pernos como lo son las normas ASTM A388, E112, A29 y J429g y también sobre la materia prima utilizada, Acero SAE 4340, procesos metalúrgicos adaptativos como lo es la forja, laminación del hilo del perno y sus posteriores tratamientos térmicos para obtener las prestaciones y/o propiedades adecuadas para su uso.

2



ÍNDICE Resumen .............................................................................................................................................. 2

1.- INTRODUCCIÓN .......................................................................................................................

4

2.- OBJETIVOS ..................................................................................................................................

5

2.1- Objetivo Principal ..................................................................................................................... 5 2.2- Objetivos Secundarios .............................................................................................................. 5

3.- MARCO TEÓRICO .....................................................................................................................

6

3.1- Forja ......................................................................................................................................... 6 3.2- Rosca ........................................................................................................................................ 6 3.3- Perno ........................................................................................................................................ 7 3.4- Propiedades del perno de cabeza forjada ............................................................................... 9 3.4.1- Norma ASTM E112: ........................................................................................................... 9 3.4.2- Norma A388: ................................................................................................................... 10 3.4.3- Norma J429g: .................................................................................................................. 12 3.4.4- Norma ASTM A 29/ A 29M: ............................................................................................. 13 4.- PROCESO DE FABRICACION ............................................................................................... 16

5.- CONCLUSIONES Y DISCUCIONES ..................................................................................... 24

3



1.- INTRODUCCIÓN

Los molinos SAG o Semiautógenos, son equipos utilizados para reducir de tamaño el mineral que entra en él, producto de las bolas de acero y el propio mineral que giran en su interior, los cuales caen golpeándose unos con otros reduciendo su tamaño, por lo mismo, las piezas del molino están sometidos a abrasión, desgaste, corrosión, entre otros, y sus materiales deben ser capaces de soportar y trabajar bajo esas condiciones. Los pernos son utilizados para afirmar las piezas del molino, permitiendo el cambio y reparación de las paredes, flejes y piezas en general, que de otra manera estarían soldadas a la estructura, cumpliendo un papel fundamental a la hora de considerar repuestos. Así como con las otras piezas del molino, la elección del material, el proceso de fabricación y los tratamientos térmicos a los cuales se someten, deben estar analizados para maximizar sus propiedades mecánicas.

4



2.- OBJETIVOS 2.1- Objetivo Principal 

Determinar la fabricación de los pernos de cabeza forjada, utilizados en los molinos SAG.

2.2- Objetivos Secundarios 



Analizar las normas Seleccionar un material adecuado que cumpla todas las normas requeridas para la fabricación de los pernos de cabeza forjada.



Determinar los posibles tratamientos térmicos a los cuales están sometidos los pernos del molino SAG.

5



3.- MARCO TEÓRICO 3.1- Forja La forja es uno de los principales y el más antiguo método de trabajar el metal, que

a través de golpes o altas presiones, genera una deformación plástica. Dependiendo de la pieza este trabajo puede ser en frío o en caliente. Los trabajos de forja para pernos de molino SAG, se realizan en caliente, lo que significa que se trabaja a temperatura de recristalización del material, permitiendo el alivio de tensiones de forma dinámica, las maquinarias golpean la barra caliente dentro de un molde, generando la forma deseada.

Figura 1.- Forja de un material

3.2- Rosca “Acción de labrar uno o más surcos helicoidales de un perfil especial”(1 ), Este

mecanizado es utilizado como un sistema de unión y sujeción en las diferentes industrias que trabajan con metales. 6



El roscado se puede realizar por fresadora, torno, taladradoras, laminadora o maquinarias manuales, dependiendo de la precisión que sea necesaria en el producto. En el caso de los pernos de molino SAG, se trabaja por maquinado o laminadora, siendo la de mejor el laminado, puesto que evita las imperfecciones por maquinado.

Figura 2.- Diferencias esquemáticas entre hilos cortados y conformados en frío y la generación de micro entalladuras.

3.3- Perno El perno es una “pieza de hierro cilíndrica, con cabeza redonda por un extremo y

asegurada con una tuerca por el otro, que se usa para sujetar piezas de gran peso o volumen” (2). Los pernos son ampliamente utilizados en domicilios e industrias,

puesto que permiten desmontar los muebles o piezas de maquinarias, según sea el 7



caso, de forma rápida y sencilla, disminuyendo costos y tiempo al momento de realizar las reparaciones. Los pernos de molino SAG están diseñados para tener una vida útil igual a las parrillas del molino, desgastando la cabeza hasta la necesidad de cambiar los pernos.

Figura 3.- Perno de Molino SAG.

(1) http://es.slideshare.net/dsconsultora/maquinas-herramientas-ycontrol-dimensional-2, 28/09/2016, 14:07 hras. (2) http://www.wordreference.com/definicion/perno, 28/09/2016, 15:15 hras.

8



3.4- Propiedades del perno de cabeza forjada

Se requiere fabricación de pernos para molino SAG cabeza forjada con las siguientes dimensiones:

Figura 4.- Esquema de dimensionamiento del perno

Para la fabricación se exigen pernos forjados, normalizados (tamaño de grano inferior a 6 s/ASTM E112), generación de hilo solo laminados (peinados), templados - revenidos (QT): Rango de dureza final 32 / 38 Rockwell C (rango dureza tipo grado 8, norma SAE J429g, Pernos de Alta Resistencia). El acero aleado deberá satisfacer las normas ASTM A 29 y A388. 3.4.1- Norma ASTM E112: La norma ASTM E112 es un manual que contiene un conjunto de procedimientos

de prueba para determinar el tamaño de grano, en materiales metálicos, o celulares, en caso de materiales no metálicos. Para el análisis del grano 6 s/ASTM E112, corresponde al tamaño promedio de los granos equiaxiales con orientación uniforme, que posean entre otras medidas, un área de grano promedio igual a 2016 micras cuadradas, un diámetro promedio igual a 44,9 micras y que a un aumento de 1x existan 496 granos por milímetro cuadrado.

9



Figura 5.- Tabla de razón de tamaño de grano equiaxiales.

3.4.2- Norma A388: La norma A388 hace referencia a los procedimientos de examinación para aceros

forjados por medio de eco pulsos ultrasónicos, esto también incluye la técnica DGS (aumento de tamaño de distancia). Todo esto usando un instrumento de reflexión de pulsos ultrasónicos el cual debe poseer una frecuencia mínima de 1 a 5 MHz En la examinación de aceros austeníticos forjados el sistema debe tener una capacidad de examinación en frecuencias de alrededor de 0,4 MHz. El operador de este instrumento debe estar calificado y certificado acorde a la estandarización nacional de prácticas recomendadas No. SNT-TC1A La superficie a examinar debe ser maquinada para proveer una superficie cilíndrica en el caso de forjas redondas. Las terminaciones de las forjas deben ser maquinadas perpendiculares al eje de forja para la examinación axial. En el caso de un disco forjado o de una forja rectangular deben ser maquinados de forma plana y paralela. La superficie no debe tener una rugosidad que exceda los 250 micro pulgadas (a menos que esté especificado en el dibujo o plano de forja) y debe estar libre de materiales extraños como pintura, mugre o descascaramiento de la pieza Este análisis puede ser empleado en una gran variedad de aceros con múltiples tratamientos térmicos, composiciones, tamaños y aplicaciones; aun así existen algunos aceros más difíciles de analizar como lo son los aceros austeníticos los 10



cuales son difíciles de penetrar ultrasonicamente. Por esta razón no se recomienda el uso del ultrasonido para piezas austeníticas forjadas pesadas. Al interactuar con algún defecto la señal ultrasónica se ve alterada y arrojara una amplitud mayor a la normal, el equipo (interfaz) arroja la distancia a la que se encuentra esta el defecto o discontinuidad. Respecto al procedimiento:

-

A medida de lo posible someter todo el volumen forjado a la examinación por ultrasonido. Porque el radio del cambio de sección y otras configuraciones locales pueden ser imposibles de examinar.

-

En los casos de que la pieza sea sometida a tratamientos térmicos, el análisis ultrasónico debe llevarse a cabo después de estos (excepto tratamientos para el alivio de tensiones), pero antes de realizar perforaciones, cortes, o maquinación para zonas de contorno.

-

En el caso de que el requerimiento sea examinar la pieza forjada antes del tratamiento térmico esta debe ser reexaminada después de este en medida de lo posible.

-

Para asegurar que la pieza será cubierta completamente en la examinación no debe exceder una velocidad de escaneo de 6 in/seg.

-

Si es posible escanear todas las secciones de la forja en 2 direcciones.

-

Escanear formas cilíndricas y ahuecadas por la técnica de rayo angular. Cuando sea posible también examinar en dirección axial.

-

Escanear forjas de forma de disco por medio de la técnica rayo recto de al menos un plano y radialmente de la circunferencia, siempre que sea posible.

-

Examinar secciones ahuecadas por medio de rayo angular desde la superficie de diámetro exterior.

-

Las forjas pueden ser examinadas de forma estática o mientras están rotando, si no está especificado por el comprador, cualquiera de ambos puede ser usado según la opción del manufactor. 11



Respecto al reporte:

-

El reporte debe mostrar todos los contornos de la forja examinada incluyendo las dimensiones de las zonas no examinadas debido a su configuración geométrica, el número del dibujo del comprador, el número de orden del comprador y el número de serie del manufactor y la distribución axial, radial y circunferencial según las indicaciones de ultrasonido registrables.

-

La especificación en la cual la examinación fue realizada como lo son la frecuencia usada, sensibilidad, tipo de instrumento, terminación superficial y las unidades de rastreo.

-

La firma del inspector y la fecha en la cual se realizó el análisis. Los niveles de calidad son acordados entre el comprador y el manufactor en las bases de los criterios usados con respecto al tipo de examinación (Rayo angular o Rayo recto). 3.4.3- Norma J429g: Esta norma da a conocer las exigencias mecánicas para pernos de grado 8. Según

esta norma las propiedades mecánicas incluidas en la tabla 1 son compiladas en una temperatura ambiente de aproximadamente 20 °C (68 °F). Estas propiedades son válidas dentro de una gama de temperaturas que depende del grado material el tratamiento usado y termal y mecánico.

12



Tabla 1. Norma SAE J429 para perno grado 8.

Dureza Rockwell Grado

Diámetro

o clase Nominal

Material

y Esfuerzo

Esfuerzo

Esfuerzo

tratamiento

carga de mínimo

de

térmico

prueba

de

tracción

(KSI)

fluencia

(KSI)

Mínima Máxima

(KSI) 8

¼”–1 ½”

Acero aleado 120 de

130

150

33 HRC 39 HRC

medio

carbono templado

y

revenido

3.4.4- Norma ASTM A 29/ A 29M:

Esta especificación abarca un grupo de exigencia de requerimientos comunes que se aplicarán a las barras de acero al carbono y aleaciones en cada una de las siguientes especificaciones ASTM: composición química, requisitos de propiedades mecánicas; dimensiones, masa, y las variaciones admisibles; la mano de obra, acabado y apariencia, la repetición del tratamiento y de la reanudación; inspección, rechazo, otra audiencia, marcado del producto y embalaje. Según las características presentadas se debe escoger un acero de medio carbono que posea una alta resistencia y que sea de grado 8. Con esta información es posible acotar la gama de aceros, siendo así el acero seleccionado; SAE 4340. 13



A continuación se muestran sus características y tratamientos según su norma. Este es un acero de medio carbono aleado con Cr-Ni-Mo. Posee buena resistencia a la fatiga, alta templabilidad, excelente tenacidad, regular maquinabilidad y baja soldabilidad. No presenta fragilidad de revenido. Apto para piezas y herramientas de grandes exigencias mecánicas. Tabla 2. Propiedades químicas acero SAE 4340

%C

%Mn

%Ni

%S

%Si

%Cr

%Mo

0.38-0.43

0.60-0.80

1,65-2,00

0.040

0.15-0.35

0.70-0.90

0.20-0.30

Tabla 3. Propiedades mecánicas acero SAE 4340

Dureza

Esfuerzo fluencia

Esfuerzo tracción

Elongación

Reducción de

(HRc)

(kg/mm2)

(kg/mm2)

(%)

área (%)

28-34

60-74 min

95-105

10-18

50

14



Tabla 4. Tratamientos térmicos acero SAE 4340

Tratamiento

Forjado

Temperatura ºC Enfriamiento

850 - 1100

Normalizado 850 - 870

Ceniza o Arena Aire

Recocido

680 - 720

Horno

Templado

830 - 850

Aceite

Revenido

500 - 650

Aire

15

Departamento de Ingeniería en Metalurgia 4.-


PROCESO DE FABRICACION 

Se comienza con barras de Acero SAE 4340

Figura 6.- Acopio de Barras de acero A partir de estas barras de acero SAE 4340 de aproximadamente 5-6 metros de largo, una sierra computarizada corta de manera automática las barras en secciones con un largo requerido. 

Corte Las barras son cortadas con un disco de corte especial

Figura 7.- Esquema de corte de las barras

16

Departamento de Ingeniería en Metalurgia 


Generación de hilo mediante laminación

Figura 8.- Fotografía de laminación de perno, lubricado con aceite, esta laminación

se realiza en caliente.

17



Forja:

El acero SAE 4340 debe mantenerse a una temperatura mínima de 900 ° C y una máxima de 1220ºC

Figura 9.- Barra a temperatura de forja en posición previo forjado

18



Normalizado (disminuir tamaño de grano)

Tras el forjado, la laminación en caliente o la fundición, la microestructura de un acero es a menudo poco homogénea y formada por granos de gran tamaño y componentes estructurales indeseables, como bainita y carburos. Dicha microestructura tiene un impacto negativo en las propiedades mecánicas del acero, así como en la maquinabilidad. La normalización permite que el acero obtenga una estructura homogénea de grano más fino inferiores a 6 s/ASTM E112 con propiedades predecibles y maquinabilidad. Por esta manera se tiene como objetivo proporcionar una estructura uniforme y de grano fino al acero. El proceso se utiliza para obtener una microestructura predecible y una garantía de las propiedades mecánicas del acero. Aquí se calienta la pieza a temperaturas ligeramente más elevadas que la crítica superior A3 o Ac3, para que pase al estado austenítico, y se formen nuevos granos. Los cuales son mucho más pequeños que los granos ferríticos anteriores. Luego después de un determinado tiempo de permanencia a esa temperatura, se hace un enfriamiento en aire tranquilo. La temperatura de normalización depende esencialmente del contenido de carbono del acero. La velocidad de enfriamiento importante en la normalización corresponde al punto en el que la austenita se está transformando en perlita. Para el caso del SAE 4340 el tratamiento debe realizarse a una temperatura de 860 – 880ºC durante al menos 1 hora por cada 25 mm. en aire frío. En casos especiales se puede usar aire forzado. 

Tratamiento térmico

Temple y revenido de un acero SAE 4340. Se debe seleccionar el tratamiento térmico dependiendo de qué propiedades mecánicas se quieren conseguir en el acero. Si se desea aumentar la dureza de la pieza se debe templar el acero, posteriormente se debe realizar un tratamiento 19



de revenido para aliviar las tensiones producto del temple. Para seleccionar la temperatura utilizamos el siguiente diagrama:

Figura 10.- Temperaturas de austenización para el temple, indicadas en el

diagrama Fe-C. Según la norma ASTM, temple es el enfriamiento rápido del acero desde una temperatura elevada. En general, esto se logra sumergiendo la pieza en agua, aceite, sal o aplicando aire comprimido. Para el caso de SAE 4340 es templado en aceite. La estructura del acero resultante del temple, martensita, se puede considerar como una microestructura inicial, susceptible de ser modificada por el revenido subsiguiente. Los factores de los que depende el temple son de importancia decisiva; por eso es importante que a cada paso del proceso se le dé el mismo cuidado y consideración. El éxito de la pieza templada depende 20



de cuatro factores principales, buen acero, buen diseño, buen tratamiento térmico y buen servicio. Para la temperatura de templado se selecciona dependiendo del % de carbono en el acero. Para el caso del SAE 4340 la temperatura es de “austenización completa”, es decir 30° a 60 °C por sobre la temperatura crítica

superior, para obtener únicamente austenita. Por lo tanto la temperatura de austenización para el acero trabajado será en el rango de 830° - 860°C. El tiempo que debe demorar el enfriamiento se determina utilizando las curvas de enfriamiento continuo (TEC), que para el SAE 4340 se muestra a continuación:

Figura 11.- Diagrama TEC (Enfriamiento continuo), correspondiente a un

acero SAE 4340.

21



Las curvas de la figura 11, representan la velocidad de enfriamiento y cada círculo representa dureza Vickers (HV) que se alcanza. Posteriormente al temple se realiza un segundo tratamiento térmico correspondiente a un revenido con el fin de aliviar tensiones producto del enfriamiento. Este tratamiento se realiza calentando la pieza en el rango de 500°- 650°C y enfriándola en aire tranquilo, generando una disminución de la dureza y mejorando en pequeña escala la tenacidad. La siguiente figura muestra la relación entre dureza (HB) y temperatura de revenido (°C y F).

Figura 12. -Curva de revenido para temple en aceite Como se puede observar en la figura 12, al realizar un revenido según la norma SAE 4340 (500ºC y 650ºC) se obtendrán una dureza final entre 350 y 300 HB, con una equivalencia a 33 y 39 Rockwell C satisfaciendo la norma SAE J429g requerida por el mandante.

22



Norma A388: Se realiza el análisis ultrasónico para detectar imperfecciones luego de los tratamientos térmicos.

Figura 13.- Fotografía representativa de un análisis de ultrasonido.

23



5.- CONCLUSIONES Y DISCUCIONES



Con respecto al hilo del perno se describió su elaboración por medio de laminado, también se pudo haber hecho por maquinado, pero el maquinado puede producir microgrietas las cuales pueden repercutir en fallas por fatiga, para tener una idea sobre la influencia de esto, sin la presencia de microgrietas el esfuerzo necesario para la falla del perno sería de 1500 MPa, y en el caso de tener microgrietas sería de 75 Kg/mm2.



Por otra parte, se analizaron las normas ASTM A388, E112, A29 y J429g requeridas para la fabricación de pernos de cabeza forjada para molinos SAG.



Se seleccionó el material adecuado que cumpla todas las normas requeridas para la fabricación de los pernos de cabeza forjada, el cual fue el acero SAE 4340. El acero aleado satisface las normas ASTM A 29 y A388.



Se determinaron los tratamientos térmicos a los cuales están sometidos los pernos del molino SAG. Para el templado, la temperatura de austenización para el acero SAE 4340 estará en el rango de 830° - 860°C.



El revenido se realiza en el rango de temperatura de 500°- 660°C y enfriándola en aire tranquilo. El normalizado para el acero SAE 4340 debe realizarse a una temperatura de 860 – 880ºC durante al menos 1 hora por cada 25 mm. en aire frío.

24

Pernos Molino SAG Cabeza Forjada

Recommend Documents