Califíquelo, no lo rompa:pruebas de dureza y la fundición

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

La prueba de dureza es una prueba de calidad utilizada en las fundiciones para medir las propiedades de los 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 deducen la tensión de tracción de un material basándose en el resultado de la prueba de dureza.

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

• Fuerza
• Impacto
• Dureza
• Resistencia a la corrosión

Las fundiciones a veces emiten un cupón de prueba junto con el producto fundido. Se supone que los resultados de la prueba de calidad del cupón de prueba también son ciertos para el producto fundido. Algunas pruebas, como la tensión de tracción y el 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 NDT es que las pruebas se pueden realizar en el producto de metal fundido en sí, a diferencia de 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 caja
• Capacidad para determinar si un material tiene las propiedades necesarias para su uso previsto
• Alternativa de prueba no destructiva para calificar y liberar material o componentes de manera efectiva para aplicaciones de destino
• Bajo costo y rendimiento rápido

¿Qué es una prueba de dureza?

El término, dureza , típicamente implica una resistencia a la deformación. Para los 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 la dureza Brinell de materiales metálicos. La Sociedad Estadounidense de Pruebas y Mediciones (ASTM) es el custodio de este estándar. Es una prueba de macro indentación donde se utiliza una carga alta para obtener la medida. Los metales fundidos requieren pruebas de macrodureza debido a la estructura del grano grueso y el potencial de un material no homogéneo.

Para obtener un número de dureza Brinell (BHN), una bola de carburo de diámetro fijo presiona el metal a una presión fija durante un tiempo determinado. Al retirar la carga, el operador mide el diámetro de la muesca que quedó y lo convierte en el BHN mediante la siguiente fórmula:

\(BHN={2PoverπD(D-sqrt{D^2-d^2 })}\)

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

En los Estados Unidos, las cargas de prueba para acero y hierro normalmente se establecen en un máximo de 3000 kgf con una bola de 10 mm. El aluminio utiliza una carga de prueba más baja de 500 kgf y, a veces, un indentador más pequeño de 5 mm. Un BHN típico oscila entre 50 y 750 para metales. La siguiente tabla de Dureza Brinell de Engineering Toolbox enumera algunos ejemplos de BHN:

Material
Número de dureza Brinell

Latón blando

60

Acero dulce

130

Acero cincelado recocido

235

Hierro fundido blanco

415

Superficie nitrurada

750

La preparación de la superficie metálica para la prueba de dureza Brinell es muy importante. Una superficie irregular u otras imperfecciones influirán en el resultado. Es aconsejable rectificar la superficie metálica 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 estaban fuertemente influenciados por la perspectiva del operador. Diferentes operadores obtendrían resultados diferentes, lo que daría lugar a una gran 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 utiliza el método ASTM E18:Métodos de prueba estándar para la dureza Rockwell de materiales metálicos. La prueba de Rockwell tiene dos etapas. El equipo aplica una fuerza de prueba preliminar a la muestra utilizando un indentador de diamante o de bola. El propósito de esta etapa es atravesar la superficie del metal y reducir el efecto del acabado superficial en el resultado final. El operador mide una profundidad de sangría de referencia en este punto. Después de mantener la precarga durante un tiempo determinado, se aplica una carga mayor. Nuevamente, la fuerza se mantiene durante un tiempo preestablecido, antes de reducirla nuevamente a la fuerza de precarga. Una vez transcurrido el tiempo, el operador toma una medida de profundidad de la indentación. El número de dureza Rockwell se basa en la diferencia entre las mediciones de profundidad de referencia y finales.

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

\(RHN={N-(h/ S ) }\)

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

Prueba de dureza de rebote de Leeb

La prueba Leeb utiliza el método de prueba estándar ASTM A956 para la prueba de dureza Leeb de productos de acero. La prueba de Leeb es una medida del rebote de un objeto de la muestra de prueba. La dureza de los metales afecta la energía de rebote:los materiales más duros producen un rebote mayor, mientras que los materiales más blandos amortiguan la energía de rebote. La velocidad del objeto, antes y después de que golpee la muestra, constituye la base del valor de rebote. El equipo de prueba de Leeb contiene una bobina que mide el voltaje inducido de la bola magnética utilizada para la prueba de rebote. Este voltaje inducido está directamente relacionado con la velocidad de la bola que se mueve a través de la bobina del equipo de prueba. El valor de dureza Leeb se calcula mediante la siguiente fórmula:

\(LHN={Rebote;Velocidad sobre impacto;Velocidad}x1000\)

Las ventajas del método Leeb incluyen el hecho de que la muesca que queda en la muestra de prueba es mucho más pequeña que con otros métodos. También es portátil, más fácil de usar y más rápido que los durómetros Brinell y Rockwell. Una desventaja es que puede producir resultados variables cuando la superficie de la muestra no es uniforme. El grosor de la muestra y el contenido de carbono también pueden influir en el resultado.

Conversión de número de dureza

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

Número de dureza y tratamiento térmico

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

Las microestructuras finas de perlita y ferrita provocadas por una velocidad de enfriamiento más rápida tienen un mayor valor de dureza. Si el metal se templa, el rápido enfriamiento da como resultado una microestructura de martensita, que tiene la mayor dureza de todas. Debido a la relación directa entre la microestructura y la dureza, la prueba de dureza es un indicador rápido de si el tratamiento térmico ha tenido éxito o no.

Número de dureza y propiedades del metal fundido

Las tablas muestran cómo la resistencia a la tracción se correlaciona con la dureza de materiales específicos. Esta es una correlación útil porque medir la tensión de tracción es un proceso destructivo, mientras que las pruebas de dureza no son destructivas. Sin embargo, existen limitaciones en 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:

\(TS(MPa)=begin{cases}3.55 cdot HB(HB le 175 )[2ex]3.38 cdot HB(HB>175 )end{cases}\)\(TS(psi)=begin{cases}515 cdot HB (HB le 175 )[2ex]490 cdot HB(HB>175 )fin{casos}\)

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

Productos fundidos y clasificación

Muchos factores afectan la clasificación del acero fundido. La composición del producto, las propiedades químicas y mecánicas y los procesos de tratamiento térmico juegan un papel importante en la certificación de cada producto fundido según la norma ASTM aplicable.

ASTM establece especificaciones estándar para diferentes grados de productos metálicos. Es importante comprender estos grados y sus propiedades para seleccionar el grado correcto para cada aplicación. ASTM A27 es un estándar que cubre las 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. No es destructivo, lo que significa que se puede realizar en productos terminados sin causar daños. Es un proceso rápido, que brinda a las fundiciones una retroalimentación rápida sobre los productos a medida que salen de la línea de producción. La correlación entre el número de dureza y la resistencia a la tracción es una guía útil para realizar una evaluación inicial del grado del producto. Las fundiciones completan un conjunto completo de pruebas de certificación antes de lanzar los productos a los 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 fundamental del control de calidad y el ajuste de procesos para las fundiciones de metales.