Tema 9. Otros métodos y aplicaciones

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1 Tema 9. Otros métodos y aplicaciones Contenido 1. Introducción a los tratamientos mecánicos superficiales Granallado (shot peening)... 2 A. Tecnología... 2 B. Propiedades que mejora... 6 C. Parámetros modificables en el granallado... 7 D. Valores de tensiones residuales y profundidad de la capa... 8 E. Ensayo Almen F. Ejemplos de casos reales en los que se aplica granallado Impacto con chorro de agua Impacto con láser Impacto con ultrasonidos Endurecimiento por explosivos Bruñido o laminación con rodillos sobre superficies Tratamientos superficiales con láser A. Transformación estructural mediante láser cladding (plaqueado) B. Ablación láser

2 1. Introducción a los tratamientos mecánicos superficiales Los tratamientos mecánicos superficiales se basan todos en el mismo mecanismo. Lo único que cambia es con que se hace o cómo se consigue. En todos se trata de hacer una deformación superficial de un material. Los procesos más utilizados son: o Granallado: Es el proceso más básico. o Bruñido o laminación con rodillos: o Impacto con chorro de agua: o Impacto con láser: o Endurecimiento por explosivos: 2. Granallado (shot peening) A. Tecnología Consiste en hacer incidir granalla o partículas de elevada dureza sobre la superficie de un material que provocan una deformación plástica en la superficie (y no arranque de metal), lo que se traduce en tensiones residuales de compresión en la superficie y fuerzas de tracción por debajo de la superficie. 2

3 Si la superficies sobre la que se hace incidir la granalla es independiente del material que hay por debajo de la superficies (eso es, se trata de una lámina colocada sobre un material de mayor espesor), lo que sucede es que la superficie deformada se alarga por la deformación plástica, mientras que la parte de abajo se queda igual (ya que es independiente). Si se tiene un material con un cierto espesor, la parte superficial sobre la que incide la granalla va a tirar hacia fuera (compresión) y el material inferior va a tirar hacia dentro (tracción). Explicación: Al incidir la granalla, como debajo de la superficie hay material que impide que se alargue, el material inferior ejerce un esfuerzo sobre la superficie de compresión (para que se cierre) y la superficie ejerce un esfuerzo sobre el material inferior de tracción (para que se abra). 3

4 Consecuencia: Tensiones residuales de compresión en la superficie y tensiones residuales de tracción en el material inferior. Ilustración 1. Perfil de tensiones Limitación: La deformación provocada (y por tanto, las tensiones residuales de compresión) no puede ser la máxima deseada. Dependerá de la tracción que soporte el material en su interior, ya que una excesiva deformación provocará el fallo del material. Si se hace incidir granalla sobre una superficie de poco espesor, la superficie tiende a adoptar una forma cóncava hacia abajo después de deformarse plásticamente. 4

5 o Esto es así porque la superficie de arriba tiende a alargarse (el arco de arriba es mayor que el de abajo) pero tiene tensiones residuales de compresión. Por otra parte, la parte de abajo tiende a acortarse (el arco de abajo es menor que el de arriba). Existen muchos defectos que empiezan por la superficie. Por ejemplo, si se tiene una grieta: o La tracción es perjudicial ya que tiende a abrir la grieta. o La compresión es beneficiosa ya que tiende a cerrar la grieta. En general, mejora el comportamiento frente a todos los defectos que empiezan en la superficie, y de ahí radica el uso del granallado. IMPORTANTE Por ejemplo, en las curvas SN (fatiga), la introducción de tensiones residuales de compresión en la superficie hace que la curva de esfuerzos de tracción disminuya y tienda a ser de compresión. Ilustración 2. Curva SN (fatiga) Precaución: La temperatura siempre provoca la relajación de los esfuerzos residuales (tanto de compresión como de tracción), por lo que hay que tenerlo 5

6 en cuenta en piezas sometidas a granallado que se vayan a utilizar en condiciones de temperatura (no apreciable a no ser que sean láminas finas). B. Propiedades que mejora Las tensiones residuales de compresión mejoran: o Fatiga: Cargas o tensiones cíclicas que hacen que el material falle por debajo de su resistencia o tensión máxima. o Corrosión bajo tensión: En la corrosión, se forman óxidos en la superficie. Estos óxidos son frágiles, lo que significa que es más fácil que se haga una grieta. Si se produce una grieta, se puede volver a oxidar el material descubierto. Si se introduce tensiones residuales de compresión en la superficie, se cierra la grieta. o Corrosión-fatiga: o Agrietamiento por hidrógeno: NO ES NECESARIO SABER QUÉ ES. La deformación plástica mejora las siguientes propiedades tribológicas (aquellas propiedades que implica dos superficies en rozamiento 1 ): o Cierre de porosidad superficial: o Resistencia superficial: o Dureza superficial: o Corrosión intercristalina: 1 Son ejemplos el desgaste, la abrasión, la erosión, etc. 6

7 o Resistencia al desgaste: C. Parámetros modificables en el granallado Los parámetros del proceso de granallado que se pueden modificar son: 2 o Tamaño de las partículas: o Material de las partículas: Mayor o menos dureza. o Morfologías de las partículas: Esféricas, angulosas, etc. o Caudal: Cantidad de granalla bombardeado por unidad de tiempo. o Velocidad de proyección: o Orientación con respecto a la superficie: o Tiempo: Representación de la rugosidad aritmética (media de la rugosidad de toda la superficie) frente a los distintos tipos de materiales empleados como granalla (materiales y tamaños de partículas). o Las partículas de Titanio (Ti) causan menor rugosidad que las partículas de circona (ZR), de alúmina (AL) o de sílice (SI). NO HAY QUE SABERSE LA GRÁFICA. 2 PREGUNTA DE EXAMEN: Decir qué se modificaría para lograr una mayor intensidad de granallado. 7

8 La rugosidad aritmética de la superficie granallada depende de la forma, del material y del tamaño de la granalla. o La periodicidad de la rugosidad de la superficie bombardeada con granallas de menor tamaño es mayor que con granallas de mayor tamaño. D. Valores de tensiones residuales y profundidad de la capa La tensión residual de compresión varía en función de la dureza del material empleado como granalla. o A mayor dureza del material empleado como granalla, se consigue mayores tensiones residuales de compresión (ya que se consiguen mayores deformaciones plásticas). 8

9 Ilustración 3. Tensión residual debido al Shot Peening en función del límite de rotura del acero Representación de la profundidad recomprimida frente a la intensidad del ensayo Armen. o A mayor intensidad en el proceso se consigue una mayor profundidad de la capa y mayores tensiones residuales de compresión. Ilustración 4. Influencia de la intensidad Almen en la profundidad recomprimida para el acero y el titanio 9

10 E. Ensayo Almen Ensayo inventado por la General Motors en 1943 que consiste en lo siguiente. Se dispone de una pistola de granalla por la que sale la granalla. Se tiene que hacer exactamente el proceso que se quiera caracterizar y que se vaya a emplear en la industria, eso es, cada proceso requiere de un ensayo particular (ángulo de impacto, velocidad, forma, tamaño, dureza de la granalla y cobertura). El sustrato o superficie a granallar que se utiliza en el Ensayo Almen viene normalizado, eso es, existen distintos materiales normalizados con parámetros normalizados (escogiéndose el que se va a emplear en la realidad pero con los parámetros normalizados para que los resultados del ensayo sean comparables). El objetivo es caracterizar la intensidad del proceso, no sobre el material que se está proyectando. Se pone la placa normalizada en un soporte que tiene 4 puntos de sujeción para que la placa esté fija. Una vez fija, se bombardea la superficie con la granalla (con las condiciones de velocidad, forma, etc. del proceso particular que se quiere caracterizar), repitiendo el proceso para distintos tiempos. 10

11 A diferentes tiempos, se retira la placa normalizada del soporte y se mide la flecha de la placa (la flecha es la altura del arco que determina el estiramiento superficial que sufre la placa delgada granallada, en mm o pulgadas). Se representa la flecha obtenida para cada uno de los tiempos, obteniendo la curva del Ensayo Almen. o La curva satura cuando el aumento de la flecha es menor al 10%. Eso quiere decir que no es necesario granallar infinitamente: a partir del tiempo de saturación, por mucho que se siga granallando, no se va a conseguir nada en el proceso. o La intensidad y el tiempo de saturación depende de: Velocidad de la granalla. Dureza de la granalla. 11

12 F. Ejemplos de casos reales en los que se aplica granallado Árboles y ejes: o Las curvas en negro son sin aplicar granalla. Moledura basta es un proceso de acabado superficial. Es la que otorga menor resistencia a la fatiga al material Rectificación es un proceso de mecanizado. Otorga algo más de resistencia a la fatiga al material. o Las curvas verdes son aplicando granallado. Aumenta la resistencia a la fatiga 3 del material más que la moledura basta y la rectificación (el mínimo de la curva SN sube y se desplaza a la izquierda). 3 Para una misma carga, aumenta el número de ciclos que soporta el material antes de romper por fatiga 12

13 Ilustración 5. Curva SN (Tensión frente a número de ciclos). Si se aplica una carga o tensión inferior al mínimo de la curva, significa que dura eternamente. Si se aplica una carga mayor al mínimo, el material romperá por fatiga al cortar el valor de la tensión con la curva SN. Si se aplica una carga superior, el número de ciclos disminuye Ilustración 6. Curva SN (Tensión frente a número de ciclos). Si se aplica una carga o tensión inferior al mínimo de la curva, significa que dura eternamente. La aplicación de granalla sobre el eje provoca un aumento importante en la resistencia a fatiga Soldadura: Se generan tensiones residuales por el calor que se produce, sobre todo en la soldadura por fusión (en mecanizado también pueden quedar tensiones residuales). Las tensiones residuales suelen ser de tracción (son perjudiciales ya que bajan las propiedades mecánicas). o Con el granallado se baja el perfil de tensiones residuales de tracción, completándolas con tensiones de compresión y aumentando la resistencia mecánica. 13

14 o Representaciones del número de horas que aguanta de ensayo y del número de km (millas) que puede recorrer. En verde, la pieza granallada. Se multiplica por 3 la vida en desplazamiento y por 4 las horas de ensayo En blando, la pieza sin granallar. 14

15 Ilustración 7. Curva SN. La menor resistencia a fatiga es de la pieza soldada por TIG, seguida de la pieza base y terminando con la pieza soldada por TIG con posterior granallado (se supera con el granallado la resistencia del material base) Fretting fatiga: Es la fatiga combinada con tribología (rozamiento entre 2 superficies). Se producen cargas cíclicas con rozamiento entre 2 superficies. o El rozamiento agrava la fatiga. o Las curvas negras son sin aplicar granallado. o Las curvas verdes son aplicando granallado. Se aumenta la resistencia a fatiga respecto a la pieza sin granallar. Ilustración 8. Curvas SN con fatiga y fretting fatiga 15

16 Peen forming: Es una aplicación que tiene el hecho de que una lámina de poco espesor se curve por la deformación plástica sufrida al granallar. o Consiste en dar forma a placas y láminas aplicando granallado. Se hace para piezas pequeñas y grandes. Ilustración 9. Peen forming 3. Impacto con chorro de agua Se emplea un chorro de agua a alta presión para provocar la deformación plástica de la superficie. Se puede conseguir menor intensidad que con el granallado. Variables de control del proceso: 16

17 o Presión: Hasta 400 MPa. o Velocidad del chorro: o Diseño de la boquilla: Más fina, más gruesa, etc. o Distancia a la superficie: Mecanismo: El chorro de agua consigue una deformación plástica superficial que hace que la superficie se alargue durante la aplicación del chorro y que queden tensiones residuales de compresión después de la colisión. La parte inferior se hace más pequeña por la colisión, de tal forma que al cesar el chorro quedarán tensiones residuales de tracción. 4. Impacto con láser Tiene más intensidad que el granallado (más energía), ya que el láser produce plasma alrededor del punto de contacto con la superficie (a causa de los iones que bombardean la superficie sin producir ablación) que provoca mayor deformación plástica que el granallado. o La resistencia a fatiga de una pieza con impacto con láser es mayor que la de una pieza con granallado convencional. 17

18 Ilustración 10. Curva SN. Demostración de que el Laser peening tiene más intensidad que el shot peening Generalmente, se pone un medio que recubre la superficie (suele ser agua, pero puede ser también un gas como el aire). o Objetivo: Aumenta la presión del láser sobre la superficie y favorecer la formación del plasma. Ejemplo: Ensayo de corrosión bajo tensión. La pieza de la izquierda tiene impacto con láser y la de la derecha no tiene impacto con láser. 18

19 Ilustración 11. PREGUNTA DE EXAMEN Aplicaciones: Aerogenerador. 5. Impacto con ultrasonidos Se tiene un transductor piezoeléctrico que causa la deformación plástica superficial, pero con menor intensidad que en el caso de la soldadura con ultrasonidos. Ventaja: o Puede utilizar cabezales con muchas configuraciones, lo que permite ajustarse a superficies complejas o de difícil acceso. 19

20 6. Endurecimiento por explosivos Se realiza una explosión controlada que causa la deformación plástica superficial y se generan tensiones residuales de compresión. No tiene tanto control como las operaciones anteriores, por lo que no se utiliza en aplicaciones que requieran un elevado control de las tensiones residuales. Aplicaciones: Raíles de ferrocarriles para trenes (permite hacer grandes tramos de deformación en menos tiempo que otros métodos). 20

21 Ilustración 12. Dureza conseguida tras cada explosión. Se pueden hacer explosiones sucesivas hasta conseguir la dureza deseada 7. Bruñido o laminación con rodillos sobre superficies Se utiliza un rodillo o un cabezal similar (en vez de granalla) que se aplica con una determinada presión sobre el material a tratar y que avanza con un movimiento de giro. 1. Permite un acabado superficial muy bueno o de pulido. En la Ilustración 13 se ve que la superficie tratada tiene mucho más brillo que la superficie sin tratar, lo que significa que tiene muy baja rugosidad superficial (por lo que refleja mejor la luz). 21

22 Ilustración 13. Buena acabado obtenido tras bruñido 8. Tratamientos superficiales con láser Con láser se puede mecanizar, soldar y tratar superficialmente, según la interacción que tenga el láser con la superficie. De la interacción entre el láser y la superficie, se forma una pluma 4 de plasma (estado de la materia en el que se tiene una alta concentración de partículas cargadas. Según como interaccionen con la superficie esas partículas, van a producir un efecto u otro). De esta forma, según el láser que se utilice y del material, puede haber entre el láser y la superficie: o Interacción térmica: De tal forma que se provoque: Transformación estructural: Cambiar la estructura del material en todo el material o en una zona localizada. Por ejemplo, en un acero se puede cambiar la microestructura perlítica a martensítica sin necesidad de elevar la temperatura del material y luego enfriar con agua. Ablación: Eliminación de material. Por ejemplo, se puede hacer grabados sobre componentes electrónicos. Fusión superficial: Se puede emplear para soldadura. o Interacción química: o Interacción atérmica: 4 Pluma o llama. 22

23 Según la aplicación, se va a necesitar que el láser sea continuo o pulsado, y que tenga una potencia o irradiancia determinada. o Para procesos que requieran de mayor energía, se utilizará el láser pulsado. Cuando más corto (mayor frecuencia) sea el pulso, mayor energía se transfiere a la superficie. Ej.: Ablación. o El láser continuo se utiliza para procesos en los que no se requiere una elevada energía. Se pueden hacer una gran cantidad de procesos, pero no hay que sabérselos de memoria. 23

24 A. Transformación estructural mediante láser cladding (plaqueado) Es una de las aplicaciones de la tecnología láser para la transformación estructural. Se utiliza para recubrimientos a partir de polvos que se modifican con el láser. Se tiene un suministrador de polvo que va a formar el recubrimiento. Este suministrador puede ir junto al cabezal del láser o estar dispuesto en la superficie con un dispositivo externo. Se dispone de un haz láser que puede tener distintas configuraciones según el cabezal. Se suele dispones (pero no es obligatorio) de una vaina gaseosa de argón que protege toda la zona que se está tratando con el láser (evita que reaccione la zona fundida con el oxígeno del aire). El láser se hace avanzar sobre la arena que se ha depositado sobre la superficie, causando la fusión o un cambio microestructural de la arena y formando el recubrimiento a medida que barre la superficie. 24

25 B. Ablación láser Permite hacer surcos a escala micrométrica de piezas como lentes 3D. 25

26 Normalmente, el avance teórico va por delante de los procesos reales. De esta forma, los procesos determinan si la teoría se puede aplicar a la realidad o no. Lentilla óptica 3D: Sistemas microelectromecánicos: Dispositivos hechos por ablación láser. 26

27 Grabado de iniciales a escala micro: 27

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