pernos-molino-sag-cabeza-forjada_compress.pdf

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
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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.

3
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

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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.

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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.

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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.

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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

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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-y-
control-dimensional-2, 28/09/2016, 14:07 hras.
(2) http://www.wordreference.com/definicion/perno, 28/09/2016,
15:15 hras.

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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.

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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

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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.

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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.

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Tabla 1. Norma SAE J429 para perno grado 8.
Dureza Rockwell
Grado
o clase
Diámetro
Nominal
Material y
tratamiento
térmico
Esfuerzo
carga de
prueba
(KSI)
Esfuerzo
mínimo
de
fluencia
(KSI)
Esfuerzo
de
tracción
(KSI)
Mínima Máxima
8 ¼”–1 ½” Acero aleado
de medio
carbono
templado y
revenido
120 130 150 33 HRC 39 HRC
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.

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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
(HRc)
Esfuerzo fluencia
(kg/mm2)
Esfuerzo tracción
(kg/mm2)
Elongación
(%)
Reducción de
área (%)
28-34 60-74 min 95-105 10-18 50

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Tabla 4. Tratamientos térmicos acero SAE 4340
Tratamiento Temperatura ºC Enfriamiento
Forjado 850 - 1100 Ceniza o Arena
Normalizado 850 - 870 Aire
Recocido 680 - 720 Horno
Templado 830 - 850 Aceite
Revenido 500 - 650 Aire

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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

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 Generación de hilo mediante laminación
Figura 8.- Fotografía de laminación de perno, lubricado con aceite, esta laminación
se realiza en caliente.

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 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

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 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

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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

21
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.

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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.

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 Norma A388: Se realiza el análisis ultrasónico para detectar imperfecciones
luego de los tratamientos térmicos.
Figura 13.- Fotografía representativa de un análisis de ultrasonido.

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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.

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