Resumen PFC Daniel Lopez Gomez
U n i v e r s i d a d C a r l o s I I I d e M a d r i d
Junio
13
Abstracto El proyecto llevado a cabo está basado en el análisis de que tratamiento es el mejor para reducir el estrés residual almacenado en unos anillos después de un mecanizado. La empresa sueca Siemens A.B. mandó tres tipos de anillos para analizar: uno de ellos con el mecanizado anteriormente citado, uno tratado térmicamente después del mecanizado y otro tratado con el método “Vibratory Stress Relief” (VSR) después del mecanizado. El objetivo de este estudio es comparar las propiedades de los tres anillos y ver que tratamiento es el más adecuado. Para llegar a una conclusión varios test fueron ejecutados. Primero se analizaron pequeñas replicas de los anillos. Los test llevados a cabo en estas pequeñas réplicas fueron un análisis de rayos X, dos análisis de la microestructura y dos test de dureza. Posteriormente Siemens A.B. mandó réplicas más grandes y se realizaron nuevos test. Las nuevas réplicas fueron cortadas con el método de “spark cutting”. Después, se analizó el comportamiento de estas nuevas réplicas con el método de el Hole Drilling y se realizó otro análisis de rayos X.
Tabla de contenido 1. INTRODUCCION ................................................................................................................. 4 2. EL ESTUDIO ........................................................................................................................ 5 2.1 ANALISIS DE RESULTADOS ANTERIORES ........................................................................ 5 2.2. TRATAMIENTO DE LOS ESPECIMENES ............................................................................. 7 2.3. ANALISIS DE LA MICRO ESTRUCTURA ............................................................................. 8 3.4 TEST DE MICRO DUREZA .................................................................................................... 11 3.5. CORTE DE LOS NUEVOS ANILLOS .................................................................................... 13 3.6 HOLE DRILLING ..................................................................................................................... 15 3.7 X-‐RAY TEST ............................................................................................................................. 18 3. CONCLUSSION .................................................................................................................. 19
1. INTRODUCCION Un fabricante de turbinas locales de Suecia (Siemens Industrial turbomaquinaria AB situado en la localidad sueca de Finspång) está interesado en saber más sobre el método “Vibratory Stress Relief”. Es común en las turbinas de vapor y gas utilizar anillos forjados que deben ser mecanizados a su forma final. A veces, la distorsión de estos anillos puede causar problemas en la fabricación de los componentes. Por lo tanto, es a menudo necesario introducir una etapa de procesamiento intermedio que implica alivio en la tensión residual. La forma convencional es mediante un tratamiento térmico. Esto puede, sin embargo, provocar otros cambios micro estructurales en el material. Un método alternativo es el VSR. El objetivo de este proyecto se puede dividir en dos objetivos diferentes: El primer objetivo es comparar el perfil de la tensión residual (en profundidad desde la superficie) para tres condiciones diferentes del anillo: • Como mecanizado. • Como tratamiento térmico. • Como VSR. Las tensiones se van a medir con la técnica de difracción de rayos X y la técnica de Hole Drilling. El segundo objetivo será investigar si hay diferencias micro estructurales entre las diferentes condiciones mencionadas anteriormente. Se podría incluir mediciones de micro dureza, el grado de deformación plástica determinada a partir del análisis por rayos X y las investigaciones micro estructurales usando microscopio óptico y un microscopio electrónico (Scanning Electron Microscope o SEM).
2. EL ESTUDIO
2.1 ANALISIS DE RESULTADOS ANTERIORES En este aparto se analizan los resultados de el análisis de rayos X que se realizaron sobre las réplicas pequeñas de los anillos. Los resultados obtenidos son los siguientes:
400 300 STRESS (MPa)
200 100
V tangential
0 -‐100
0
50
100
150
200
250
M tangential H tangential
-‐200 -‐300 -‐400
DEPTH (μm)
Figura 2.1 Comparación del estrés residual en los tres anillos en dirección tangencial.
STRESS (MPa)
600 500 400 300 200 100 0 -‐100 0 -‐200 -‐300 -‐400 -‐500
V radial M radial 50
100
150
200
250
H radial
DEPTH (μm)
Figura 2.2 Comparación del estrés residual en los tres anillos en dirección radial.
En las figuras de arriba se puede apreciar el estrés relajado por el análisis de rayos X para los tres tipos de anillos en dirección radial y tangencial. Como se puede apreciar, el anillo mecanizado es el que mas estrés tiene en la superficie. Con el tratamiento VSR se consigue relajar gran parte del estrés, convirtiéndolo incluso en comprensión. Sin embargo, cuando se supera una profundidad de unos 20 μm,
se puede apreciar como el anillo tratado con el VSR tiene mas estrés que el mecanizado. Por otro lado, el anillo tratado térmicamente consigue también reducir el estrés residual en la superficie, y tiene del orden de tres veces menos estrés que el anillo tratado térmicamente. También se realizó un análisis del valor FWHM, cuyos resultados son los expuestos a continuación: 3
FWHM (degrees)
2,5 2 FWHM V tangential
1,5
FWHM M tangential
1
FWHM H tangential
0,5 0 0
50
100
150
200
250
DEPTH (μm) Figura 2.3 Comparación del valor FWHM para los tres tratamientos en dirección tangencial.
3 FWHM (degrees)
2,5 2 FWMH V radial
1,5
FWHM M radial
1
FWHM H radial
0,5 0 0
50
100
150
200
250
DEPTH (μm) Figura 2.4 Comparación del valor FWHM para los tres tratamientos en dirección radial.
En estas figuras se puede apreciar que el tratamiento que más varía la microestructura del material es el tratamiento térmico. Este tratamiento, como se ve en la gráfica, afecta prácticamente solo a la superficie, ya que alcanza rápidamente el valor FWHM= 1º. Comparando el VSR con el mecanizado se observa que prácticamente no varía el comportamiento con el anillo original una vez hecho el tratamiento VSR.
2.2. TRATAMIENTO DE LOS ESPECIMENES
Los anillos se hicieron a partir de un material llamado X22CrMoV12 1 (1.4923). La composición química nominal es 0,22% de C, 0,3% de Si, 0,65% de Mn, 11,5% de Cr, 1,0% de Mo, 0,6% de Ni, 0,3% V, resto es Fe. Todos los anillos se trataron térmicamente con el fin de obtener la dureza requerida para su uso y para eliminar el estrés generado en el mecanizado. Las condiciones del tratamiento térmico fueron: endurecimiento a 1120degC, temple en aceite y revenido a 700degC (aproximadamente 2 horas). Después del tratamiento térmico, se aplicó un segundo tratamiento térmico a uno de los anillos. El objetivo fue analizar si un alivio de tensión sustancial podría lograrse mediante la aplicación de este tratamiento térmico. Se llevó a cabo a 660degC durante 5 h. Para poder llevar a cabo los análisis, las operaciones que se realizaron sobre las replicas pequeñas fueron: • Corte de una pequeña porción del anillo. • Creación del espécimen (Montado). Se crearon dos especímenes, uno de ellos para ver las dos direcciones de interés (radial y tangencial) y el otro para realizar el test de dureza. • Pulir el espécimen. • Micro etching.
2.3. ANALISIS DE LA MICRO ESTRUCTURA
El objetivo de esta parte del proyecto fue analizar la micro estructurada generada por cada tratamiento en los anillos. Para llevarla acabo de analizaron los especímenes obtenidos mediante un microscopio óptico y uno digital. A continuación se muestran varias imágenes tomadas.
Figura 3.1 Imagen del espécimen en dirección tangencial amplificado 40 veces.
Figura 3.2 Imagen del espécimen en dirección radial amplificado 60 veces.
Figura 3.3 Imagen del anillo mecanizado en dirección radial, 2K magnificaciones.
Figura 3.4 Imagen del espécimen mecanizado en dirección tangencial, 2K magnificaciones
En el aparto del proyecto referido a este punto, un análisis y una comparación de las peculiaridades en la microestructura se llevó a cabo. Se podría concluir: En ambos microscopios se muestra la diferencia explícita entre la microestructura de la dirección radial y tangencial. La capa delgada y la orientación de los granos en la dirección tangencial es lo más remarcable en las imágenes vistas en este análisis El último punto destacable es la diferencia vista en el tamaño de grano en el anillo térmicamente tratado, y su orientación en comparación con el anillo mecanizado y el VSR. La conclusión obtenida es que el tratamiento térmico varía sustancialmente las propiedades del material. Para concluir este análisis de la micro estructura, se podría decir que no se encontraron grandes diferencias entre la micro estructura del anillo mecanizado y el VSR.
3.4 TEST DE MICRO DUREZA
En este apartado del proyecto se analiza la dureza de los especímenes con dos diferentes tipos de test: test de dureza Vickers y test de dureza Knoop. Como se puede ver en la imagen de abajo, varias líneas de perforaciones se hicieron en el espécimen para comprobar la variación de la dureza con respecto a la profundidad.
Figura 4.1. Detalle de los test realizados.
HV and HK IN THE MACHINED RING 440
HV (25g load)
420 400
HK RIGHT
380
HK MIDDLE
360
HK LEFT
340
HV RIGHT
320
HV MIDDLE
300
HV LEFT
280 0
50
100
150
200
250
300
350
Depth (µm) Figura 4.2 Comparación de ambos métodos en el anillo mecanizado.
400
HV and HK IN THE HEAT TREATED RING 420 400 HK HEAT R
HV
380
HK HEAT M 360
HK HEAT L HV HEAT R
340
HV HEAT M
320
HV HEAT L
300 0
50
100
150
200
250
300
DEPTH (µm)
Figura 4.3 Comparación de ambos métodos en el anillo térmicamente tratado.
HV and HK OF THE VSR RING 400 380 HK VSR RIGHT
HV
360
HK VSR MIDDLE
340
HK VSR LEFT
320
HV VSR R
300
HV VSR M HV VSR L
280 0
50
100
150
200
250
300
DEPTH (µm ) Figura 4.4 Comparación de ambos métodos en el anillo VSR.
La principal conclusión llevada cabo es que los resultados de ambos test (Knoop y Vickers) no pueden ser comparados. Una idea de la dureza de los anillos se puede entender, pero de forma muy general. Cada anillo en cada test presenta una variación de la dureza diferente. Sin embargo, viendo la tendencia del anillo VSR en el test Vickers, se puede apreciar que sigue en gran medida la misma tendencia que el anillo mecanizado. Por otro lado, en el Knoop test se aprecia que en el anillo VSR la tendencia es constante a lo largo de la superficie mientras que en el mecanizado es decreciente. El anillo térmicamente tratado presenta en el test Vickers un comportamiento homogéneo, mientras que en el Knoop la tendencia es creciente.
3.5. CORTE DE LOS NUEVOS ANILLOS
La empresa Siemens A.B. mandó unos anillos mas grandes que los analizados anteriormente. La razón fue que los resultados obtenidos de los análisis en estos nuevos anillos serán más fiables y una conclusión mas certera se podrá conseguir. Otro factor ha tener en cuenta fue que la empresa solo sabía que anillo era el tratado térmicamente, y no sabía cual anillo era el mecanizado y cual era el VSR. Para el análisis de rayos X, se tuvo que cortar el anillo. Para dicho corte, el método usado fue el método “spark cutting”. Antes de realizar el corte, unas galgas extensiométricas fueron instaladas en el anillo para medir cuanto estrés se aliviaba mediante el corte. Los resultados obtenidos se presentan en las siguientes figuras.
Ring 1 Stress of the ring (μ-‐strain)
400 200 0 00:00,0 07:12,0 14:24,0 21:36,0 28:48,0 36:00,0 43:12,0 50:24,0 -‐200 -‐400
Outside strain
-‐600
Inside strain
-‐800 -‐1000
time (mm:ss)
Figura 5.1. Datos del corte para el anillo 1
Ring 2 Stress of the ring (μ-‐strain)
700 600 500 400 300 200
outside strain
100
inside strain
0 0:00:00 0:14:24 0:28:48 0:43:12 0:57:36 1:12:00 1:26:24 -‐100 -‐200 -‐300
time (hh:mm:ss)
Figura 5.2 Datos del corte para el anillo 2
Heat Treated Ring Stress of the ring (μ-‐strain)
120 100 80 60 40
outside strain
20
inside strain
0 00:00,0 07:12,0 14:24,0 21:36,0 28:48,0 36:00,0 43:12,0 -‐20 -‐40
time (mm:ss)
Figura 5.5 Datos del corte para el anillo térmicamente tratado.
Como se puede apreciar viendo las imágenes de los datos tomados durante el corte, el anillo 1 (ring 1) tiene prácticamente la misma tendencia que el anillo 2 (ring 2). Como se ha visto en puntos anteriores, esto concuerda con lo mostrado anteriormente ya que el comportamiento del anillo mecanizado y del VSR siguen en gran medida la misma tendencia. También, se puede apreciar que el orden de magnitud de los valores obtenidos por las galgas en el anillo térmicamente tratado son significantemente menores y el comportamiento es totalmente diferente, mostrando solo estrés de tensión durante todo el corte en la galga de la cara exterior.
3.6 HOLE DRILLING
El Hole Drilling es un método mecánico que mide la magnitud y dirección de las tensiones principales mediante la realización de una técnica semi-‐destructiva. Consiste en la perforación de un pequeño agujero en el material y el registro de las mediciones recogidas por una galga pegada en la superficie de la pieza. Los pasos llevados a cabo en este método fueron: 1. La instalación de galgas extensiométricas. Se instalaron dos galgas en cada anillo. Una de ellas sobre una superficie pulida y otra sobre otra no pulida. 2. El proceso de perforación. 3. Recogida de los datos de las galgas. 4. El análisis de los datos. El método usado para calcular el estrés aliviado por cada método fue el método integral. Las medidas obtenidas en no fueran muy veraces ya que las medidas eran muy oscilantes y no podía llegarse a ninguna conclusión. Para solucionar este problema, la solución que se llevo a cabo fue coger paquetes de tres datos y calcular su media. Los resultados obtenidos se presentan en las siguiente imágenes.
Figura 6.1. Datos del anillo 1
Figura 6.2. Datos del anillo 2
Figura 6.3. Datos del anillo térmicamente tratado
Aunque los datos no son muy fiables, varios puntos se pueden observar en las gráficas. El primero de ellos es que, como en todo el proyecto, el anillo mecanizado y el VSR comparten la misma tendencia en todos los análisis llevados a cabo. Como se comento antes, no se sabe cual anillo es el mecanizado ni el VSR. Viendo estos gráficos, se puede concluir que el anillo 2 (ring 2) es el mecanizado, ya que en la superficie tiene más estrés residual que el anillo 1, y también, el rango de valores es mayor. Además, se comprueba que también en esta prueba el anillo térmicamente tratado no sigue la misma tendencia que los anteriores y que el rango de estrés residual es notablemente menor que en los otros dos anillos.
3.7 X-‐RAY TEST
Otro análisis de rayos X se llevo a cabo en los anillos grandes para ver si había diferencia con los datos adquiridos con el anterior análisis en las réplicas pequeñas. En este caso, solo un análisis se llevo a cabo en dirección tangencial, ya que se comprobó en el anterior test que ambas direcciones siguen prácticamente la misma tendencia. Los resultados obtenidos fueron:
X-‐Ray COMPARISON 300
Stress (MPa)
200 100 0 -‐100
Ring 1 0
50
100
150
200
250
300
Ring 2 H.Treated
-‐200 -‐300 -‐400
Depth (µm)
Figura 7.1 Comparación de los tres anillos en dirección tangencial.
Como se puede apreciar, la conclusión es básicamente la misma que para el análisis de las réplicas pequeñas. Se puede también comprobar que el anillo 2 es el mecanizado. El tratamiento VSR consigue reducir el estrés en la superficie, pero después sigue la misma tendencia que el anillo mecanizado. En cambio, el tratamiento térmico tiene alrededor de tres veces menos estrés que el anterior método.
3. CONCLUSSION El objetivo de este proyecto es analizar cuál de los métodos estudiados tenían una eficiencia mayor a la hora de relajar la tensión residual. Cada prueba realizada lleva a la conclusión de que el tratamiento térmico es la técnica más adecuada para reducir la tensión mencionada.. Estudios científicos dicen que un 40% de la tensión residual podría ser aliviado con la técnica VSR. La eficiencia de esta técnica esta relacionada con la amplitud de vibración, así que quizás la amplitud utilizada en el anillo no fue la adecuada. Una vez vistos los resultados obtenidos en este proyecto, sería recomendable llevar a cabo un análisis de las propiedades mecánicas del anillo tratado térmicamente para tener una visión clara de la variación de las propiedades como consecuencia de este tratamiento. Dichas variaciones se tendrían que comparar y ver si merece la pena elegir este método en comparación con el alivio del estrés conseguido con el método VSR y elegir la mejor opción.
