Pruebas de Dureza en Fundiciones: Aseguramiento de Calidad No Destructivo

Un paso crítico en la calificación de piezas metálicas usando un enfoque no destructivo

La prueba de dureza es una prueba de calidad usada en fundiciones para medir las propiedades de metales fundidos y su idoneidad para diferentes aplicaciones. Su popularidad se debe a la naturaleza no destructiva de la prueba, y su relación con otras propiedades mecánicas. Las fundiciones inferyen la tensión de tracción de un material basándose en el resultado de la prueba de dureza.

Las propiedades de metales fundidos varían según la composición del metal, condiciones de proceso y tratamiento térmico. Es importante certificar productos de metal fundido como adecuados para la aplicación final deseada. Cuatro categorías principales de propiedades son importantes para usuarios de metal fundido:

• Resistencia
• Impacto
• Dureza
• Resistencia a la corrosión

Las fundiciones a veces funden un cupón de prueba junto con la fundición del producto. Los resultados de prueba de calidad del cupón de prueba se asumen verdaderos para el producto fundido también. Algunas pruebas —como tensión de tracción e impacto— destruyen la pieza de prueba en el proceso. Sin embargo, las pruebas no destructivas (END) no destruyen la muestra de metal para obtener un resultado. La ventaja de END es que las pruebas pueden realizarse en el producto de metal fundido mismo, en oposición a una pieza de prueba.

Beneficios de las pruebas de dureza:

• Capacidad para verificar el tratamiento térmico de una pieza en operaciones de tratamiento térmico y análisis de profundidad de caso
• Capacidad para determinar si un material tiene las propiedades necesarias para su uso previsto
• Alternativa de prueba no destructiva para calificar y liberar efectivamente material o componentes para aplicaciones objetivo
• Bajo costo y ejecución rápida

¿Qué es una prueba de dureza?

El término dureza típicamente implica resistencia a la deformación. Para metales, la propiedad es una medida de su resistencia a la deformación permanente, o plástica. Existen varias pruebas diferentes para medir la dureza de metales y metales fundidos.

Prueba de dureza Brinell

La prueba de dureza Brinell usa el método ASTM E10 —Método de Prueba Estándar para Dureza Brinell de Materiales Metálicos. La Sociedad Americana para Pruebas y Materiales (ASTM) es la custodia de este estándar. Es una prueba de macroindentación donde se usa una carga alta para obtener la medición. Los metales fundidos requieren pruebas de macro dureza debido a la estructura de grano grueso y el potencial de material inhomogéneo.

Para obtener un número de dureza Brinell (HDB), una bola de carburo de diámetro fijo presiona en el metal a una presión fija por un tiempo establecido. Al remover la carga, el operador mide el diámetro de la indentación dejada atrás y la convierte en HDB usando la siguiente fórmula:

HDB = 2P / [πD(D - √(D² - d²))]

P = fuerza aplicada (kgf)
D = diámetro del indentador (mm)
d = diámetro de la indentación (mm)

En Estados Unidos, las cargas de prueba para acero y hierro se establecen típicamente en un máximo de 3000 kgf con una bola de 10 mm. El aluminio usa una carga de prueba menor de 500 kgf, y a veces un indentador más pequeño de 5 mm. Un HDB típico varía de 50-750 para metales. La tabla de Dureza Brinell de Engineering Toolbox a continuación enumera algunos ejemplos de HDB:

Material	Número de Dureza Brinell
Latón blando	60
Acero dulce	130
Acero para cincel recocido	235
Hierro fundido blanco	415
Superficie nitrurada	750

La preparación de la superficie del metal para pruebas de dureza Brinell es muy importante. Una superficie irregular u otras imperfecciones influirán en el resultado. Es aconsejable pulir la superficie del metal en preparación para la prueba para minimizar la variabilidad en los resultados.

Los orígenes de la prueba de dureza Brinell se remontan a 1900. En los primeros años de la prueba, los resultados fueron fuertemente influenciados por la perspectiva del operador. Diferentes operadores obtendrían diferentes resultados llevando a alta variabilidad en la medición. Sin embargo, con la introducción de equipos de medición electrónicos, el nivel de consistencia ha mejorado significativamente.

Prueba de dureza Rockwell

La prueba de dureza Rockwell usa el método ASTM E18 —Métodos de Prueba Estándar para Dureza Rockwell de Materiales Metálicos. La prueba Rockwell tiene dos etapas. El equipo aplica una fuerza de prueba preliminar a la muestra usando un indentador de diamante o bola. El propósito de esta etapa es romper la superficie del metal y reducir el efecto del acabado superficial en el resultado final. El operador mide una profundidad de indentación base en este punto. Después de mantener la precarga por un tiempo establecido, se aplica una carga mayor. De nuevo, la fuerza se mantiene por un tiempo preestablecido, antes de reducirla a la fuerza de precarga. Una vez transcurrido el tiempo, el operador toma una medición de profundidad de la indentación. El número de dureza Rockwell se basa en la diferencia entre las mediciones de profundidad base y final.

Es importante para la precisión de la prueba Rockwell que el eje de prueba esté dentro de dos grados de perpendicular. Una escala de dureza Rockwell acompaña a la prueba.

HDR = N - (h / S)

N = constante
S = unidad de escala
h = profundidad de indentación

Prueba de dureza por rebote Leeb

La prueba Leeb usa ASTM A956 —Método de Prueba Estándar para Pruebas de Dureza Leeb de Productos de Acero. La prueba Leeb es una medida del rebote de un objeto desde la muestra de prueba. La dureza de los metales afecta la energía de rebote —materiales más duros producen un mayor rebote, mientras que materiales más blandos amortiguan la energía de rebote. La velocidad del objeto, antes y después de golpear la muestra, forma la base para el valor de rebote. El equipo de prueba Leeb contiene una bobina, que mide el voltaje inducido de la bola magnética usada para la prueba de rebote. Este voltaje inducido está directamente relacionado con la velocidad de la bola moviéndose a través de la bobina del equipo de prueba. El valor de dureza Leeb se calcula usando la siguiente fórmula:

HDL = (Velocidad de rebote / Velocidad de impacto) × 1000

Ventajas del método Leeb incluyen el hecho de que la indentación dejada en la muestra de prueba es mucho menor que con otros métodos. También es portátil, más fácil de usar y más rápido que los probadores de dureza Brinell y Rockwell. Una desventaja es que puede dar resultados variables donde la superficie de la muestra es irregular. El espesor de la muestra y el contenido de carbono pueden influir en el resultado también.

Conversión de números de dureza

ASTM E140-12be1 da tablas de conversión de dureza estándar para metales para convertir de un método de prueba de dureza a otro. Es importante notar que estas conversiones son aproximadas y dependen de factores como composición del material, microestructura y tratamiento térmico. Aunque las tablas se basan en grandes números de pruebas a través de los diferentes métodos, un resultado de conversión solo puede considerarse como una estimación de valores comparables.

Número de dureza y tratamiento térmico

Los metales fundidos se tratan térmicamente para manipular sus propiedades. El tratamiento térmico implica elevar la temperatura del material a un valor predeterminado. Luego se enfría a una tasa específica dependiendo de las propiedades deseadas del producto. La temperatura final del ciclo de calentamiento y la tasa de enfriamiento tienen un impacto directo en la microestructura del metal.

Microestructuras de perlita fina y ferrita causadas por una tasa de enfriamiento más rápida tienen un valor de dureza mayor. Si el metal se templa, el enfriamiento rápido resulta en una microestructura de martensita, que tiene la mayor dureza de todas. Debido a la relación directa entre microestructura y dureza, la prueba de dureza es un indicador rápido de si el tratamiento térmico ha sido exitoso o no.

Número de dureza y propiedades de metal fundido

Las tablas muestran cómo la resistencia a la tracción se correlaciona con la dureza para materiales específicos. Esta es una correlación útil porque medir la tensión de tracción es un proceso destructivo, mientras que las pruebas de dureza son no destructivas. Sin embargo, hay limitaciones a la conversión de dureza a resistencia a la tracción y estas tablas son solo aproximaciones.

La relación entre el número de dureza Brinell y la tensión de tracción:

TS(MPa) = { 3.55 × HB (HB ≤ 175); 3.38 × HB (HB > 175) }

TS(psi) = { 515 × HB (HB ≤ 175); 490 × HB (HB > 175) }

HB = dureza Brinell del material (medida con indentador estándar y carga de 3000 kgf)

Productos fundidos y clasificación

Muchos factores afectan la clasificación de acero fundido. Composición del producto, propiedades químicas y mecánicas, y procesos de tratamiento térmico todos juegan un papel en la certificación de cada producto fundido contra la norma ASTM aplicable.

ASTM establece especificaciones estándar para diferentes grados de productos metálicos. Es importante entender estos grados y sus propiedades para seleccionar el grado correcto para cada aplicación. ASTM A27 es una norma que cubre fundiciones de acero al carbono para aplicaciones generales.

Pruebas de dureza en fundiciones

El desarrollo de la prueba de dureza ha facilitado a las fundiciones de metales estimar las propiedades de sus productos basándose en una prueba simple. Es no destructiva, lo que significa que puede realizarse en productos terminados sin causar daño. Es un proceso rápido, dando a las fundiciones retroalimentación rápida sobre los productos al salir de la línea de producción. La correlación entre número de dureza y resistencia a la tracción es una guía útil para hacer una evaluación inicial del grado de producto. Las fundiciones completan un conjunto completo de pruebas de certificación antes de liberar productos a clientes.

Las pruebas de dureza también ayudan a las fundiciones a verificar sus procesos de tratamiento térmico. Los resultados muestran si la microestructura del material ha cambiado como se esperaba. La prueba de dureza es un componente crítico de control de calidad y ajuste de proceso para fundiciones de metales.