SHOT PEENING. Informe: Granalladora Americana S.C.A. INTRODUCCIÓN AL SHOT- PEENING

Transcripción

1 Informe: Granalladora Americana S.C.A. SHOT PEENING INTRODUCCIÓN AL SHOT- PEENING El shot-peening es un método de trabajo en frío que consiste en impactos de granalla a alta velocidad sobre una superficie. Cada partícula actúa como un pequeño martillo, haciendo improntas sobre la superficie del metal, provocando un estiramiento en su cara externa. El impacto de la granalla provoca una fluencia plástica en las fibras superficiales, sin producir variaciones en su límite de fluencia, manteniendo inalterables las propiedades elásticas. Bajo la acción de los impactos, en las fibras superficiales se genera una tensión residual de compresión, y en la parte interna prevalece una tensión residual de tracción. Ensayos experimentales, muestran que la tensión residual de compresión es mucho más elevada que la tensión residual de tracción. Las roturas por fatiga se deben a la tensión de tracción y no a la de compresión. Las pruebas de laboratorios muestran que cuando hay tensión residual de compresión aumenta la resistencia a la fatiga. APLICACIONES DEL SHOT-PEENING En general el Shot-Peening puede aumentar la resistencia a la fatiga de aquellas piezas sujetas a la flexión o torsión, no así en los casos de compresión. Se da una lista parcial de piezas sobre las cuales se aplicaron Shot-Peening y han dado resultados satisfactorios. Esta lista se puede ir ampliando constantemente: - Pernos de orugas de tanques - Alabes de turbinas de reacción - Ejes de transmisión - Cojinetes - Cigüeñales - Resortes helicoidales - Extractores de armas de fuego - Orugas de tanques - Piñones de diferencial - Palas de hélices - Ballestas - Barras de torsión - Alabes de compresores - Bielas - Partes de tren de aterrizaje

2 - Pistones - Engranajes de cajas de velocidad - Paliers - Ejes de hélices - Barras estabilizadoras - Juntas universales - Válvulas - Pernos a pistón - Coronas de diferencial - Fresas - Barras de bombeo de petróleo Además de las piezas de acero, el shot-peening puede aumentar la resistencia a la fatiga en piezas de bronce, aluminio, magnesio, titanio, etc. Dando excelentes resultados. En el caso de los no ferrosos, las mejoras obtenidas son similares a la de las piezas de acero o hierro. El shot-peening tiene aplicación en innumerables casos, sin embargo no es una panacea, o sea que no puede corregir fallas por defectos de diseño, o errores cometidos en operación anteriores. En todo caso frente a un problema determinado, se puede incorporar el shot-peening como un proceso adicional e investigar posteriormente el beneficio obtenido, con lo deseado. En muchos casos donde el shot-peening ha sido empleado inteligentemente, con las precauciones pertinentes, se han obtenido resultados asombrosos en cuanto al aumento de la resistencia a la fatiga. - Cigüeñales 900 % - Resorte helicoidal 1370 % - Engranajes 1500 % - Rótula1400% - Paliers 400% Los aumentos de vida de piezas son propios de cada diseño, no pudiendo trasladarlos a otras piezas diferentes, por más que cumplan igual función, o sea de un uso idéntico. Los beneficios obtenidos con el shot-peening, en determinados casos permite reducir el tamaño o el peso, o ambos simultáneamente, con su correspondiente beneficio. En muchos casos pueden ser reemplazadas aleaciones de alto precio por materiales más económicos, logrando de este modo a veces una considerable economía. Otra aplicación del shot-peening es la eliminación de poros en piezas fundidas a presión. Este tipo de piezas sometidas a presión o que contengan aceite, suelen presentar fugas a través de los poros. El shot-peening anula los poros, ahorrando descartes y reparaciones. OTROS BEBNEFICIOS DEL SHOT PEENING Uno de los problemas que suele crear preocupaciones a los ingenieros y metalurgistas es la fisura espontánea, la cual resulta de un efecto combinado de una tensión elevado y ataque corrosivo. Bronce, hierro, acero inoxidable, cinc, aluminio, magnesio, son susceptibles de fisuras por corrosión bajo tensión. Los siguientes casos muestran los resultados obtenidos: - Una probeta de magnesio sometida a una tensión y sumergida en una solución de Cromato de Potasio y Cloruro de Sodio, resistió 120 segundos antes de romperse. La misma probeta con shot-peening y con una previa limpieza y atacada bajo las mismas condiciones duró 10 días o sea % de aumento de vida - Una muestra de fleje de aleación de magnesio duró 9,25 minutos cuando se sometió a una tensión y fue atacada con Cromato de Potasio y Cloruro de Sodio. La misma pieza con shot-peening duró 430 horas o sea su vida se incremento en un %.

3 - Una probeta de acero inoxidable AISI 304 tiene una vida aproximada de 270 horas cuando es atacado con Cloruro de Magnesio y bajo tensión mecánica. Otra muestra del mismo material con shot-peening bajo idénticas condiciones de ataque duro 3000 horas antes de romperse lo que significo un aumento de vida del 1000 %. MEDICION DEL SHOT PEENING Los resultados de un proceso de shot-peening depende de varios factores: - Velocidad de la granalla - Tamaño de la granalla - Dureza de la granalla - Angulo de impacto - Cobertura Todos estos valores no se pueden controlar simultáneamente, y menos determinar la importancia de cada uno de estos factores, a fin de comparar los resultados entre una maquina y otra, o para mantener constante el proceso. El procedimiento consiste en mantener constante la mayor cantidad de variables y corrigiendo uno de ellos por vez. Para la comprobación de la constancia de los resultados se emplea un método desarrollado por J. O. Almen del Laboratorio de Investigaciones de General Motors Corp., y que ha sido aceptado como el mejor método como para determinar la intensidad del Shot-Peening, mediante la medición del arco que forma una placa de acero normalizado al ser expuesta una cara al impacto de la granalla. Este método ha sido aceptado como norma S.A.E. (Society of Automotive Engineers). El sistema adoptado como forma de medición del shot-peening, el efecto de estiramiento superficial que se produce sobre una placa delgada cuando recibe un ataque de granalla, el cual se traduce en un curvado de la misma, cuya flecha, medida en milésimas de pulgada (0,001 ) o en milímetros constituye la especificación para la pieza. CALIBRE ALMEN

4 Consiste en unidad con lectura de milésimas de pulgada o centésimas de milímetros, montado sobre un bloque. El palpador del indicador se sitúa entre dos pares de bolillas que sirven de apoyo de la placa cuando se hace la medición. Las placas más conocidas son: A = 1, ,025 mm. (0, ,001 ) de espesor C = 2, ,025 mm. (0, ,001 ) de espesor Los valores exigidos se indican en A - 2 0,013 o C - 2 0,010, que quiere decir placa Almen A con curvaturas de 0,013 o placa Almen C y arco con flecha de 0,010. SOPORTE DE LA PLACA ALMEN FORMA DE USO La placa Almen y su valor de flecha sirve únicamente como dato de comparación, para verificar la uniformidad o variación del shot-peening entre operaciones y a través del tiempo. Si el arco de la placa es siempre igual quiere decir que el proceso no presenta variaciones. El valor aislado de la flecha de la placa en si no indica ninguna condición; tampoco es aplicable a otra pieza. Únicamente el ensayo de la pieza da la pauta de la curva necesaria. El soporte con la placa se debe colocar en la zona donde se requiere obtener un aumento de resistencia a la fatiga y por consiguiente es allí en donde se debe aplicar en forma efectiva el shotpenning. El soporte puede ir montado en la pieza, o sobre un dispositivo adecuado. COMO SE OBTIENE LA CURVA ALMEN Cuando no está especificado el valor Almen de la pieza a tratar por shot-peening se procede de la siguiente manera: 1) Se ensaya a la fatiga la pieza en cuestión determinando el valor promedio o mínimo. La cantidad de muestras depende de la importancia de la pieza y del nivel de riesgo aceptado en los resultados. 2) Se efectúa el shot-peening a un valor determinado de curva Almen y se ensaya a la fatiga la pieza tratada, midiendo la vida de la misma. 3) Se repite el ensayo indicando en el punto 2, aumentando el arco. Se vuelve a hacer otro ensayo de vida con un valor Almen 4) Llevando a un gráfico se obtiene una curva como la indicada.

5 Se llega a un punto A en el cuál por más que se aumente la curva Almen la resistencia a la fatiga no aumenta. Ese es el valor mínimo del arco de la placa Almen a introducir en la especificación del proceso de la pieza. Puede ocurrir que el requerimiento de la pieza quede cumplimentado con una resistencia a la fatiga que este por debajo del punto A, por ejemplo en 105 ciclos de la figura en tal caso siguiendo horizontalmente el punto E nos da una flecha Almen 0,0075. En este caso la especificación es este valor como mínimo. La curva Almen tiene una relación directa con el tiempo de exposición, siempre y cuando el resto de los parámetros se mantenga constante. Para obtener la flecha-tiempo de granallado, se procede de la siguiente manera: 1) Se somete al shot-peening la pieza con la probeta durante un tiempo y se mide el arco obtenido. 2) Se efectúa la misma operación anterior, pero con el tiempo aumentado y se obtiene por ejemplo los puntos A y B. A y B y por extrapolación o interpolación según los casos se obtiene los demás valores en forma aproximada. Por encima de cierto tiempo la curva se hace horizontal. Cada placa tiene su rango de curvatura. Para intensidades de shot-peening mayores se usa la placa Almen C. ELECCION DE LA GRANALLA La resistencia a la fatiga obtenida por shot-peening varía con el tamaño y en determinados casos con la dureza de la granalla. La dureza y el tamaño óptimo se obtiene haciendo ensayos, pero en general se debe buscar el mejor resultado en el menor tiempo. La dureza está relacionada más con la dureza de la pieza. Hacer shot-peening sobre una pieza de 60 HRC con granalla de HRC, demanda mucho tiempo y aún así los resultados no alcanzan valores importantes. En estos casos es conveniente elegir una granalla de HRC. En general en piezas de menor dureza se emplea la granalla convencional: HRC.

6 La granalla grande puede producir una mayor flecha en la placa Almen pero puede suceder que la resistencia a la fatiga de la pieza no aumente lo suficiente. Esto se debe a que la granalla de mayor tamaño en igual lapso de tiempo de shot-peening tiene menor cobertura, presentando un porcentaje mayor de superficie no impactada por la granalla, que empleando granalla mas fina. En el otro extremo con granalla muy fina, para lograr igual resultado se debe emplear más tiempo por la menor energía cinética de la granalla. En una producción continua y prolongada, la granalla presente en la máquina tiene una gama de medidas que va desde la granalla nueva hasta la más desgastada y chica. Por un lado se debe eliminar en el colector la granalla chica que no hace efecto, y por otro lado la reposición de la granalla se debe efectuar en forma periódica, manteniendo al máximo la carga de la granalla en la máquina, de manera que el agregado sea un porcentaje reducido con respecto al total de la carga. De lo contrario, en cada carga por la gran incidencia de la granalla nueva, varía la curva Almen y su resultado. Esto dice que se debe mantener constante la granulometría de la granalla de la máquina a través del tiempo. Hay máquinas con reposición automática para evitar saltos en la composición de la granulometría en cada carga. Para acercarse un poco al estado de un funcionamiento normal, cuando se inicia una producción con toda la granalla nueva es recomendable mezclar la granalla de uso normal con granalla fina, y las sucesivas cargas se efectúan sin la granalla fina. Esta nota da una visión general del proceso de shot-pennig y sus beneficios, cuya técnica y ventajas no están bien difundidas y al respecto creemos haber dado un gran aporte. Granalladora Americana SCA Consultas al Departamento Técnico stecnico@granalladora.com Buenos Aires, Argentina