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Tema 9 Tecnologías de Fabricación 1 Tema 9. Otros métodos y aplicaciones Contenido 1. Introducción a los tratamientos mecánicos superficiales......................................... 2 2. 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 ..................................................................................................... 10 F. Ejemplos de casos reales en los que se aplica granallado .................................. 12 3. Impacto con chorro de agua ................................................................................... 16 4. Impacto con láser .................................................................................................... 17 5. Impacto con ultrasonidos ........................................................................................ 19 6. Endurecimiento por explosivos ............................................................................... 20 7. Bruñido o laminación con rodillos sobre superficies .............................................. 21 8. Tratamientos superficiales con láser ...................................................................... 22 A. Transformación estructural mediante láser cladding (plaqueado) .................... 24 B. Ablación láser...................................................................................................... 25
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Tema 9 Tecnologías de Fabricación
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Tema 9. Otros métodos y aplicaciones Contenido
1. Introducción a los tratamientos mecánicos superficiales ......................................... 2
2. 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 ..................................................................................................... 10
F. Ejemplos de casos reales en los que se aplica granallado .................................. 12
3. Impacto con chorro de agua ................................................................................... 16
4. Impacto con láser .................................................................................................... 17
5. Impacto con ultrasonidos ........................................................................................ 19
6. Endurecimiento por explosivos ............................................................................... 20
7. Bruñido o laminación con rodillos sobre superficies .............................................. 21
8. Tratamientos superficiales con láser ...................................................................... 22
A. Transformación estructural mediante láser cladding (plaqueado) .................... 24
B. Ablación láser ...................................................................................................... 25
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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.
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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).
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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.
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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
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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 rozamiento1):
o Cierre de porosidad superficial:
o Resistencia superficial:
o Dureza superficial:
o Corrosión intercristalina:
1 Son ejemplos el desgaste, la abrasión, la erosión, etc.
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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.
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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).
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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
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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.
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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.
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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 fatiga3 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
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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.
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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.
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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
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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:
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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.
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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.
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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.
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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).
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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).
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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 pluma4 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.
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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.
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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.
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B. Ablación láser
Permite hacer surcos a escala micrométrica de piezas como lentes 3D.
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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.
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Grabado de iniciales a escala micro:
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