El documento presenta los procesos metalúrgicos de elaboración del acero, incluyendo la refinación en hornos de arco voltaico, la modificación de la estructura a altas temperaturas y presiones mediante procesos como la extrusión y el laminado, y los tratamientos térmicos para controlar la estructura y propiedades del acero. El objetivo es que los estudiantes comprendan estas técnicas y puedan reconocer defectos asociados a la metalurgia.
3. OBJETIVOS
Presentar a los estudiantes los procesos metalúrgicos de la
elaboración del acero, el moldeado y modificación de la
estructura del metal. El estudiante verá las propiedades
físicas y o estructurales del acero. De este conocimiento, los
estudiantes podrán reconocer los defectos causados por los
procesos metalúrgicos. Este conocimiento básico le ayudará
al estudiante a entender las fallas en los componentes
asociados a la metalurgia..
28. 1 - Etapa
A temperatura ambiente existe una
estructura celular con cuerpo en centro
Estructura celular con centro en cara
760 grados C
1400Grados F
29. 20 – 60 Rc
Estructura celular con centro en cara
Estructura celular con
forma tetragonalEnfriamiento
2 - Etapa
32. Cementación
1700* F (927*C)
3 mm (0.125”)
1400* F (760*C)
0,3mm (0.015”)
1000* F (538*C
0,3mm (0.015”)
Amoniaco
deformaciones
Enfriado y revenido
Austenización Enfriado y revenido
Carburizacion
Carbonitruracion
Nitruración
Introducción
La metalurgia es una ciencia compleja que tiene que ver con los
diferentes materiales, incluyendo el acero y el aluminio. En esta
lección presentaremos algunos conceptos básicos acerca de los
procesos y la estructura del acero que le dará a los estudiantes
información útil en la identificación de fallas de los componentes de
las máquinas. Estos conceptos también serán útiles para las
siguientes lecciones relacionadas con desgaste y fracturas.
Objetivo
Presentar a los estudiantes los procesos metalúrgicos de la
elaboración del acero, moldeado y modificación de la estructura
metálica. El estudiante verá las propiedades físicas y de
microestructura del acero. De este conocimiento, los estudiantes
podrán reconocer los defectos causados por los procesos
metalúrgicos. Este conocimiento básico le ayudará al estudiante a
entender las fallas de los componentes.
Material de referencia
SESV8017 AFA STMG en metalurgia
SEBV0549 Principios de metalurgia
Metalurgia
La metalurgia puede definirse como la ciencia de los metales y sus
aleaciones, y su relación con el estudio de los materiales en
ingeniería. Este módulo tratará algunos de los procesos de refinación,
moldeo y tratamiento térmico de los metales. También se tratará en
este módulo lo relacionado con los defectos encontrados en los
metales, debidos al resultado de los procesos y/o tratamiento del
material. En las operaciones de fabricación se emplean diferentes
métodos de pruebas no destructivas (NDT) para detectar los defectos
por proceso y por tratamiento del material. Algunos de estas pruebas
NDT incluyen pruebas de dureza, pruebas radiográficas y pruebas
ultrasónicas.
Los principios metalúrgicos vistos en esta sección se han
simplificado, para ayudar a los estudiantes a entender los conceptos
generales.
Objetivos.
Presentar a los estudiantes los procesos metalúrgicos de la elaboración del acero, moldeado y modificación de la estructura metálica. El estudiante verá las propiedades físicas y o estructurales del acero. De este conocimiento, los estudiantes podrán reconocer los defectos causados por los procesos metalúrgicos. Este conocimiento básico le ayudará al estudiante a entender las fallas en los componentes asociados a la metalurgia..
Refinación de los metales
El hierro fundido y el acero son dos de los metales más comunes
usados en los productos Caterpillar. El hierro fundido y el acero son
producidos a partir de mineral de hierro, que se encuentra en forma
de óxido de hierro estable, mezclado con impurezas.
El mineral de hierro se refina por calentamiento con coque (carbono
en horno sin oxígeno) y piedra caliza, en hornos de fundición
construidos con bloque refractario. A medida que se funden estos tres
materiales, suceden dos cosas importantes: (1) El coque se combina
con el oxígeno del material de hierro, resultando el hierro fundido
que se asienta en el horno, y (2) la piedra caliza se combina con
impurezas (suciedad, azufre, etc.) y flota a la superficie formando lo
que se denomina "escoria". Estas acciones químicas y físicas
producen un metal refinado menos estable químicamente, llamado
hierro colado, el cual se saca para refinación posterior o se funde en
lingotes llamados "colados".
El acero es hierro colado sometido a un proceso de refinación para
bajar el contenido de carbono, reducir las impurezas y ajustar los
porcentajes de otros elementos. Actualmente, la mayoría de los aceros
se producen en hornos de arco eléctrico. El hierro colado se carga en
el horno, construido de ladrillos refractarios, junto con chatarra, y se
colocan electrodos de carbono a unas pulgadas del metal. Se hace
pasar corriente y el calor debido a la fortaleza del metal, fluye
rápidamente derritiendo la carga. La refinación continua hasta que los
niveles de carbono, impurezas y otros elementos alcancen las
especificaciones requeridas. Ya que estos procesos son imperfectos,
algunas pequeñas partículas de ladrillos del horno y de escoria, lo
mismo que suciedad del mineral de hierro, aún quedan en el acero.
Proceso completo
El acero refinado de este modo, llamado "hornada", es vertido en
moldes de lingote y se deja solidificar. Mientras el acero se enfría,
parte del gas atrapado puede formar cavidades internas en los
lingotes. Los lingotes mas tarde son recalentados y laminados en
hojas, tabletas, placas o barras. Durante el laminado, la mayoría de
las cavidades internas se sueldan juntas.
El porcentaje del elemento "carbono" en el hierro, determina si el
metal se identifica como hierro fundido o acero, y determina la mayor
parte de sus propiedades. La mayoría de hierro fundido se refina
hasta que contenga entre 2% a 4% de carbono, lo que lo hace
quebradizo, con poca o ninguna ductilidad.
Cuando los niveles de carbono en el hierro son del 0,02% al 2,0%, se
produce el acero. El acero generalmente es más resistente, más duro,
más dúctil y tiene mejor resistencia al choque que el hierro fundido.
Cualquiera de estos aceros puede ser aleado con otros metales y
elementos para mejorar sus propiedades físicas, como la resistencia
tensil, la dureza y la resistencia a la corrosión.
Los agentes de aleación más comunes son el cromo, níquel, vanadio,
tungsteno y molibdeno. Estos aceros modificados se llaman aceros
aleados.
NOTA PARA EL INSTRUCTOR: Obtenga algunas piezas con
estas aleaciones. Por ejemplo, piezas del tren de rodaje, piezas del
motor, cucharón, herramientas de corte, etc.
El acero se clasifica de acuerdo a su contenido de carbono.
Los aceros de carbono bajo contienen de 0,02 % a 0,25 % de
carbono, son muy dúctiles, y se usan para hacer piezas sin tratamiento
térmico tales como colectores de aceite y tuberías de combustibles.
Parte de los aceros de carbono bajo tienen carbono adicional que se
añade a la superficie mediante un proceso llamado "carbonización",
de modo que pueden usarse para hacer piezas endurecidas tales como
engranajes y pasadores de pistón. Esto se verá luego en mayor detalle
en esta sección.
Los aceros de carbono medio contienen de 0,25% a 0,50% de
carbono, son menos dúctiles, pueden ser tratados térmicamente y se
usan para fabricar muchas de las piezas forjadas, como cigüeñales y
bielas. Los aceros de carbono alto contienen de 0,50% a 2,0% de
carbono, son quebradizos y se usan para fabricar los componentes de
las bombas de inyección de combustible y los resortes.
Estructura del metal
Un principio básico de la metalurgia es que la estructura de un
material determina sus propiedades. Ya que las propiedades del hierro
fundido y del acero son diferentes, es lógico que haya una diferencia
significativa en la estructura de estos dos metales. Antes de ver cada
tipo de metal, es de utilidad conocer primero la estructura física
general de los metales.
Todos los metales se componen de granos, que son cristales que han
crecido en un metal fundido al solidificarse. Los granos de los
metales pueden ser comparados con los cristales de hielo que se
forman en las ventanas en las mañanas muy frías. Cuando los
cristales en crecimiento chocan unos con otros, forman límites de
granos al azar.
En los hierros fundidos y en el acero, los límites de los granos
generalmente contienen impurezas tales como partículas de ladrillo o
escoria atrapada, dejadas en los procesos de refinación. Estas
impurezas son llamadas inclusiones y generalmente son lo
suficientemente pequeñas para no debilitar el metal. De hecho, las
inclusiones frecuentemente no son dañinas a menos que sean muy
grandes o estén en áreas de tensión alta de una pieza.
En esta ilustración de una estructura de granos de hierro fundido,
observe que los límites del grano producen una estructura al azar de
los granos. Además, cada grano contiene carbono en forma de
escamas de grafito. Este carbono libre es el factor que determina la
mayoría de las propiedades de los hierros fundidos, como fragilidad,
buena resistencia al desgaste, resistencia al fraguado, etc.
La mayoría de las personas usan el término genérico "hierro fundido"
cuando se refieren al hierro fundido gris - el material ilustrado aquí.
El hierro fundido gris se usa en muchas piezas diferentes incluyendo
las culatas del motor diesel, bloques y camisas, cubiertas, etc.
Cambiando la forma de las escamas de grafito en la estructura de los
granos de metal, se producen otros tipos de hierro fundido.
En esta ilustración de la estructura de granos de acero, observe que
no hay escamas de grafito, sino sólo granos y límites de granos. Entre
menor sea el contenido de carbono mezclado en los granos, menor el
carbono existente para formar escamas de grafito.
Esta diferencia estructural entre el hierro fundido y el acero es lo que
produce las propiedades excelentes de ductilidad, fortaleza y dureza
asociadas con el acero. (Nota: no aparecen las inclusiones para
simplificar el dibujo).
Unidad 1 1-3-9 Diagnósticos de la Máquina
Lección 3
Fig.
Una mirada más de cerca a la estructura de grano, para un material de
acero de carbono bajo, revela una disposición ordenada de "celdas
unitarias" en forma de filas y columnas, muy parecida a una
disposición de bloques ordenados. El concepto de celdas unitarias se
desarrolló para entender cómo los átomos se disponen en los granos
de una estructura de metal. Observe que la alineación de las filas y
las columnas es diferente en cada grano. Esto será de importancia
para entender el efecto de la carga y las fallas del acero.
La alineación diferente de las filas y las columnas en los granos de
metal ayudan a explicar el crecimiento de las fisuras y la apariencia
del metal que ha fallado.
Las celdas unitarias son los bloques más pequeños que conforman el
grano.
En el hierro fundido y el acero, estas celdas son generalmente de
forma cúbica con átomos de hierro en el centro y las esquinas del
cubo (llamada estructura de cuerpo cúbico centrado).
Los átomos en una celda unitaria pueden reordenarse, o se pueden
añadir átomos diferentes por procesos de tratamiento térmico y
aleación, haciendo que cambien las propiedades físicas y químicas
del metal.
Métodos de moldeo del metal
Tanto el hierro como el acero pueden fabricarse de diferentes formas
usando los procesos de moldeo metalúrgico de fundición y fraguado.
Los procesos de fundición se usan para fabricar la mayoría de las
piezas de hierro usada en los productos Caterpillar. Las piezas de
acero usadas en los productos Caterpillar son fabricadas por procesos
de fundición o usando uno de los siguientes procesos de moldeo a
alta presión y temperatura:
1. Laminado
2. Forjado
3. Extrusión
4. Estirado
Si el acero se ha moldeado por uno de estos procesos, se dice que se
ha "fraguado".
Los materiales de fundición y fraguado forman dos categorías
generales de metales con muy diferentes propiedades.
Fundición
El proceso de fundición consiste en verter el hierro en un molde que
contiene la forma de la pieza deseada. Se producen estos moldes al
presionar un patrón de la pieza en arena mezclada con un
aglomerante. Durante el proceso de moldeo, la arena se funde y
mantiene la forma del patrón. Se producen cavidades internas por
moldes de núcleo soportadas en pequeños pasadores de hierro
llamados molduras. El aire caliente y los gases contenidos en la arena
y en el metal fundido escapan a través de pequeños conductos en el
molde llamados drenajes. El hierro fundido a una temperatura de
1.2000C a 1.3150 C (2.2000 F a 2.4000 F) se vierte en el molde, fluye
entre los conductos del molde, funde las molduras, produce gases que
son drenados fuera del molde y luego se solidifica.
La fundición puede contener muchas inclusiones de gas atrapado o de
escoria, o si se enfría muy rápido, puede contraerse y crear tensiones
sobre sí mismo formando cavidades.
La fundición solidificada consta de una estructura de granos al azar
con escamas de grafito. No se puede hacer un moldeo posterior de
esta estructura quebradiza, pero puede fraguarse fácilmente y tratarse
térmicamente.
Observe que la estructura de la "fundición" tiene una apariencia
uniforme y jaspeada. Esto es característico de la fundición e indica
que las propiedades del material son uniformes. En otras palabras, las
propiedades de una muestra tomada sobre un sentido vertical serán
prácticamente las mismas que las propiedades del material de una
muestra tomada en sentido horizontal. Esta es una característica
deseable de los materiales de fundición.
Laminado
El laminado es el proceso más común usado para producir formas de
acero trabajadas, como hojas, tabletas, planchas y barras. El laminado
generalmente se hace con acero calentado a aproximadamente 1.2000
C (2.2000 F) para hacerlo muy plástico. Se aplica alta presión con
láminas de acero muy grandes, y el acero es moldeado a la forma
deseada. Estas formas pueden ser modificadas más tarde mediante
forjado, extrusión, estirado u otros procesos de fraguado del metal
Durante el laminado, las filas y columnas de las celdas unitarias en el
grano se deslizan unas a otras permitiendo que los límites del grano
tomen una nueva forma sin separarse. La nueva estructura del grano,
junto con las inclusiones, se alinea en el sentido del laminado
formando líneas de flujos de granos. Esto hace que el acero sea más
resistente en el sentido del grano que transversalmente. Sin embargo,
las fisuras crecerán más rápidamente en el sentido del grano, justo
como la madera se divide más fácilmente a través del grano.
Así, es característico de los metales fraguados o moldeados que las
propiedades del metal sean diferentes en los dos sentidos. Este es el
resultado del flujo del grano en la pieza.
El flujo del grano puede también afectar la apariencia de una
superficie de la fractura, cuando la fractura sigue el flujo del grano en
una pieza. El analista debe ser cuidadoso de no confundir el tipo de
fractura, cuando en el material, la superficie de la fractura aparece
diferente debido a que ha seguido el flujo del grano en la pieza.
Forjado
El forjado es un método común de moldear figuras estructurales,
calentando el metal aproximadamente 1.2000 C (2.2000 F) y
aplicando fuerza con un martillo de forja o una prensa mecánica.
Los granos de acero caliente son forzados a tomar la forma del
material de forja, causando que el flujo del grano quede paralelo a las
cargas máximas anticipadas.
Esta operación algunas veces produce pliegues en el metal llamados
"faldones" o produce sobrecalentamientos del metal que resultan en
quemaduras del forjado.
Un aspecto importante que se debe recordar acerca de la fundición y
los materiales fraguados, es que los materiales fundidos tienen una
estructura de grano al azar conteniendo escamas de grafito, mientras
que los materiales fraguados tienen líneas de flujo. Esto cuenta para
la mayoría de las diferencias en las propiedades físicas y el
comportamiento de estos dos materiales. La diferencia en la
estructura de grano entre los materiales fundidos y los materiales
fraguados también cuenta para las diferencias en apariencia entre
estos materiales.
Unidad 1 1-3-16 Diagnósticos de la Máquina
Lección 3
Fig.
Métodos de moldeo del metal
Tanto el hierro como el acero pueden fabricarse de diferentes formas
usando los procesos de moldeo metalúrgico de fundición y fraguado.
Los procesos de fundición se usan para fabricar la mayoría de las
piezas de hierro usada en los productos Caterpillar. Las piezas de
acero usadas en los productos Caterpillar son fabricadas por procesos
de fundición o usando uno de los siguientes procesos de moldeo a
alta presión y temperatura:
1. Laminado
2. Forjado
3. Extrusión
4. Estirado
Si el acero se ha moldeado por uno de estos procesos, se dice que se
ha "fraguado".
Los materiales de fundición y fraguado forman dos categorías
generales de metales con muy diferentes propiedades.
Tratamiento térmico
Una vez las piezas se han moldeado y fraguado, pueden requerir un
tratamiento térmico para aumentar su fortaleza, dureza y/o resistencia
al desgaste. El tratamiento térmico cambia la estructura de la celda
unitaria del hierro fundido y del acero, colocando átomos de carbono
en las celdas para hacerlas más resistentes. Hay diferentes procesos
para tratar las piezas térmicamente. Un proceso térmico usado
comúnmente por Caterpillar se llama "endurecimiento directo" o
"inmersión y revenido". Este proceso de calentamiento consta de tres
pasos: 1) disolución, 2) inmersión y 3) revenido.
Disolución
La "disolución" es el primer paso de tratamiento térmico y se hace a
temperaturas elevadas para calentar la celda unitaria. Los aceros al
carbono a temperatura ambiente tienen una celda unitaria cúbica de
cuerpo centrado que no tiene espacio para los átomos de carbono.
Durante la disolución, las temperaturas llegan hasta 7600 C (1.4000 F)
cambiando la estructura de la celda unitaria cúbica de cuerpo
centrado a celda de unidad cúbica de cara centrada, que deja espacios
para los átomos de carbono. Esta celda unitaria cúbica de cara
centrada tiene átomos de hierro en cada esquina del cubo y en el
centro de cada cara del cubo, dejando espacio para los átomos de
carbono, de modo que se ajustan en cada borde del cubo. Esta
capacidad de colocar carbono a la estructura de la celda es la base
para el tratamiento térmico de los metales.
Unidad 1 1-3-17 Diagnósticos de la Máquina
Lección 3
Fig.
Las piezas pueden "disolverse" de varios modos, siendo el más
común el de calentamiento en horno. Los hornos de templado se usan
para calentar las piezas para inmersión. Este es un cigüeñal calentado
al "naranja" a una temperatura de 8600 C (1.6000 F) saliendo de un
horno de templado.
Algunas piezas sólo requieren la superficie templada y no necesitan
tratamiento térmico. El calentamiento por inducción es un método
que calienta eléctricamente la superficie de la pieza hasta cerca de 6
mm (0,250 pulg) de profundidad. Este es un cigüeñal en el que la
capa superficial está siendo “disuelta” por el método de inducción.
El calentamiento por llama es el tercer método de tratamiento térmico
usado para “disolver” la superficie del metal en cerca de 12 mm (0,5
pulg) de profundidad. La inmersión y el revenido siguen
inmediatamente a estos métodos de disolución.
Inmersión
La inmersión es la segunda etapa del tratamiento térmico y consiste
en el enfriamiento rápido del metal desde la temperatura de
disolución hasta la temperatura ambiente.
En la inmersión, la celda unitaria cubica de cara centrada (FCC)
cambia a una nueva forma llamada celda unitaria tetragonal de cuerpo
centrado (BCT), que fija el carbono en éste.
Esta etapa produce acero de alta fortaleza y dureza, que también es
muy quebradizo y contiene altas tensiones residuales. El valor de
dureza Rockwell de un cigüeñal típico de acero al carbono medio
tendrá un aumento de C20 a C60 después de la inmersión. Estos
valores de dureza se explicarán más adelante
Unidad 1 1-3-19 Diagnósticos de la Máquina
Lección 3
Fig.
Las piezas pueden sumergirse en agua, aceite o aire. El agua se usa
generalmente en aceros de carbono medio y bajo, mientras que el
aceite y el aire se usan en aceros aleados o de carbono alto.
Caterpillar prefiere el método de inmersión en agua. El agua es más
segura que el aceite (el cual es inflamable) y tiende a producir
mejores propiedades químicas que el proceso de inmersión en aceite.
Revenido
El revenido es el paso final de tratamiento térmico y alivia las
tensiones residuales, al mismo tiempo que mejoran la dureza al poder
controlarse la cantidad de carbono en las celdas unitarias. Un
cuidadoso control de la temperatura del revenido controla la cantidad
de carbono y minimiza la pérdida de dureza. Siempre y cuando las
temperaturas de revenido se controlen cuidadosamente, la dureza y la
fortaleza final permanecerán estables. El revenido del cigüeñal visto
anteriormente deja una dureza Rockwell de cerca de C52.
Unidad 1 1-3-20 Diagnósticos de la Máquina
Lección 3
Fig. 1.3.30
Cementado
Otro tipo de tratamiento térmico usado para producir superficies
templadas en las piezas se llama "cementado". Ya que los aceros de
carbono medio y alto son costosos, es menos costoso usar un acero de
carbono bajo para construir piezas cementadas, añadiendo carbono,
nitrógeno (otro elemento de aleación), o ambos, a las superficies para
templarlos. Tres tratamientos térmicos comunes para obtener
superficies templadas son: carburización, carbonitruración y
nitruración.
La carburización se realiza a temperaturas de cerca de 9270 C (1.7000
F) y puede añadir carbono a la pieza a una profundidad de cerca de 3
mm (0,125 pulg). El acero requiere tratamientos posteriores de
inmersión y revenido y produce una superficie dura, resistente al
desgaste, con un núcleo de dureza alta para soportar cargas altas. La
inmersión, debido a la alta temperatura de carburización, produce
distorsión de las piezas carburizadas, lo que obliga a rectificar la
pieza con métodos de estiramiento o maquinado, para llevarla de
nuevo a las especificaciones correctas.
La carbonitruración puede añadir carbono o nitrógeno a la pieza a una
profundidad de cerca de 0,03 mm (0,015 pulg), aplicando
temperaturas de cerca de 7600 C (1.4000 F) y requiere inmersión y
revenido después de este proceso. Produce una superficie delgada,
dura y resistente al desgaste. Las temperaturas mas bajas de la
carbonitruración reducen la distorsión de la pieza.
La nitración añade nitrógeno a la pieza a una profundidad de cerca de
0,03 mm (0,015 pulg), aplicando temperaturas de cerca de 5380 C
(1.0000 F), y requiere de disolución, inmersión y revenido posterior,
para producir un material duro, resistente al desgaste, con un núcleo
de soporte resistente a cargas medias. Las temperaturas bajas de la
nitración no producen distorsión en la pieza y puede aplicarse a
piezas terminadas sin cambiar sus dimensiones.
Unidad 1 1-3-21 Diagnósticos de la Máquina
Lección 3
Fig. 1.3.31
Defectos de material y por proceso
Los procesos de moldeo pueden dejar defectos internos y de
superficie tanto en los metales fraguados como en los de fundición.
Es necesario familiarizarse con la apariencia de los defectos internos
y de las superficies para poder reconocer estos defectos en las
superficies de las fracturas.
Los defectos internos pueden llevar a fisuras internas que
eventualmente crecen hasta la superficie de una pieza, mientras que
los defectos externos pueden llevar a fisuras que crecen internamente
en las piezas.
Lo que se debe recordar, es que cuando las fisuras comienzan
internamente, generalmente, se encontrará un defecto en el punto de
inicio. La presencia de tales defectos indican fallas del material, fallas
del proceso o quizá sobrecarga excesiva. Veamos en detalle los
defectos comunes de los metales, las causas que los producen, su
localización y su apariencia en las piezas.
Inclusiones
La refinación, el moldeo, y el tratamiento térmico son todos procesos
metalúrgicos que pueden dejar fisuras o defectos en el material. Las
refinación puede no eliminar toda la suciedad del metal, dejar escoria
atrapada en la fundición o dejar partículas de ladrillo en el metal.
Estas impurezas atrapadas, llamadas defectos o inclusiones, están
presentes en todos los materiales, pero generalmente son tan
pequeñas que no causan problemas. Las inclusiones generalmente no
son dañinas a menos que sean muy grandes o estén en áreas de
tensiones grandes.
Unidad 1 1-3-23 Diagnósticos de la Máquina
Lección 3
Fig.
Generalmente, las inclusiones (flecha) son pequeñas cuando el metal
ha sido laminado o forjado, y no causan fallas. Ocasionalmente, una
inclusión puede estar en una área de carga crítica y puede ser lo
suficientemente grande para iniciar una fisura. Ya que estos defectos
son principalmente internos, la fisura iniciará dentro de la pieza y
puede deberse a suciedad, escoria o partículas de ladrillo atrapadas.
Contracción del metal en el proceso de forjado:
Un defecto interno común en el proceso de fundición es la formación
de "cavidades" por contracción del metal (flecha), causada al verter el
hierro demasiado caliente o no proveer suficiente metal para llenar
todas las secciones de la fundición. A medida que el metal se enfría,
se contrae, y más metal debe fluir a estas áreas para mantener la
fundición y evitar la separación del metal. Si esto no se hace, se
forman dentro del metal cavidades grandes de formas irregulares, que
debilitan el metal en éstas áreas. Si la cavidad es muy grande, o si
cargas altas inusuales ocurren durante la operación, se puede iniciar
una fisura en la cavidad.
Unidad 1 1-3-24 Diagnósticos de la Máquina
Lección 3
Fig.
Fisuras por uso
Un defecto común de la superficie del fundido es la fisura por uso
(flecha) causadas por abuso físico. Cuando se forman, estas fisuras no
tienen decoloración, a menos que se expongan al calor o a ambientes
corrosivos durante el servicio. Las fisuras por fatiga, que se verán en
detalle en el módulo "Generalidades de las Fracturas", pueden iniciar
en estas superficies con fisura, si las cargas son altas
Defectos de tubería
Los tres defectos internos más comunes de los materiales fraguados
son: defectos de tubería (flecha), formación de escamas y defectos
por puntos calientes del forjado. El defecto de tubería ocurre cuando
los lingotes de acero se solidifican dejando una cavidad por
contracción en la porción central superior del lingote. Esta parte del
lingote es eliminada antes del laminado. Ocasionalmente, parte de la
cavidad se deja en el lingote y es laminada en la pieza final. Esto
forma un orificio irregular en el centro conocido como tubo. El tubo
puede aumentar la tensión y generar una fisura interna por fatiga en la
pieza durante el servicio.
Unidad 1 1-3-25 Diagnósticos de la Máquina
Lección 3
Fig.
Escamas de hidrógeno
Las escamas (flechas) son causadas por hidrógeno disuelto en el
acero durante el proceso de refinación. El hidrógeno acumula
inclusiones a su alrededor, creando altas presiones, hasta explotar
internamente en el acero. Las escamas se presentan como pequeños
puntos brillantes redondeados, luminosos, cuando se observan en la
superficie de la fractura.
Quemaduras del forjado
El sobrecalentamiento del acero durante el forjado forma puntos
calientes del forjado. El calor generado debido al fuerte trabajo
mecánico de la pieza, eleva la temperatura límite del grano en las
áreas de trabajo más pesadas hasta el punto de fundición, causando el
debilitamiento interno de los granos. Si esta condición origina la falla,
las áreas expuestas a altas temperaturas se verán como granos grandes
o cristales en la superficie de la fractura.
Unidad 1 1-3-26 Diagnósticos de la Máquina
Lección 3
Fig.
solapa de forja
Las solapa (flecha) son defectos comunes de las superficies,
y tienen una apariencia muy similar. Las solapas del metal se forman
durante las operaciones de laminado y forjado. Las escamas de la
superficie se aprietan en la solapa evitando que se suelden entre
sí a las altas temperaturas de trabajo. Cuando se presentan escamas, en la superficie de la fractura
aparecerá un color negro oscuro
y rugoso debido a estas escamas.
Fisuras por inmersión
Las fisuras por inmersión (flecha) son causadas por piezas muy
calientes antes de la inmersión en agua o aceite muy frío, o el uso de
agua para la inmersión de un acero que debía sumergirse en aceite. El
choque térmico resultante contrae muy rápidamente el metal y fisura
la superficie. Las fisuras por inmersión generalmente ocurren en
sitios de tensión ya presentes en la pieza, como los bordes de los
dientes de los engranajes, muescas, ejes y bases de las roscas. Si las
piezas tiene un templado a temperaturas mayores de 2600 C (5000 F)
en aire, la fisura por inmersión puede mostrar alguna decoloración.
Fisuras por estiramiento
El tratamiento térmico causa tensiones residuales en las piezas, que
generalmente, resultan en distorsión. El estiramiento en prensas
hidráulicas es un método común para eliminar la distorsión. Si la
pieza se sobrecarga durante esta operación, puede aparecer una fisura
en un área de tensión. Estas fisuras son llamadas fisuras por
estiramiento, (flecha) y puede ser la fuente de fisuras por fatiga
durante el servicio.
Unidad 1 1-3-28 Diagnósticos de la Máquina
Lección 3
Fig.
Las pruebas de dureza se usan para medir la efectividad del
tratamiento térmico. La prueba de dureza Rockwell C mide la
resistencia de un metal al rayado, usando un diamante especial de
rayado colocado en la superficie del metal y aplicando un peso
específico. Entre más duro el metal, mas resistente al rayado. Una
pieza de acero típica rectificada, sin tratamiento térmico, tendrá una
dureza Rockwell C de cerca de C20. Las piezas con dureza Rockwell
mayor de C40 no deben rectificarse y son desechadas. Las superficies
de desgastes templadas y cementadas térmicamente pueden tener
valores Rockwell de C40 a C65.
Pruebas no destructivas
Las "Pruebas No Destructivas" (NTD de su sigla en inglés) se usan
para verificar la calidad de la refinación, moldeo y procesos de
tratamiento térmico y aseguran que el material final está libre de
defectos dañinos. Las NTD también se usan para encontrar material
defectuoso mediante la clasificación al 100% de los defectos. Los
métodos usados comúnmente incluyen Magnéticas, Ziglo, pruebas
ultrasónicas y Prueba de Corriente Eddy. Las pruebas Magnéticas,
Ziglo y de Corriente Eddy se usan para encontrar defectos en la
superficies, mientras que las pruebas ultrasónicas se usa para localizar
defectos debajo de la superficie.
Los fabricantes de pistones usan ahora equipo de prueba ultrasónica
para verificar la calidad de enlace de la banda del anillo forjado que
soporta los anillos del pistón. Debido a esto, el número de pistones
que experimentan fallas en la banda del anillo forjado ha disminuido
drásticamente.
Unidad 1 1-3-29 Diagnósticos de la Máquina
Lección 3
Fig.
Ciertas aplicaciones de motor, como los motores marinos, requieren
una calidad del cigüeñal más alta que la usual. Las pruebas
ultrasónicas de los cigüeñales grandes ayuda a certificar que los
niveles de inclusión en esta forja están por debajo del tamaño que
podrían causar una falla.
Conclusión
Esto concluye la sección de metalurgia básica. El refinamiento del
metal, moldeo, y tratamiento térmico puede dejar defectos o fisuras
en las piezas. Conociendo las características de estos defectos, es
posible identificar rápidamente si fue la causa de una fractura. Si no
se encuentran defectos, no culpe a la pieza o al proceso por la falla.
Busque otros factores o "señales del camino" que le ayuden a
determinar la causa real de la falla.
