Desgaste por impacto y desprendimiento de herramientas
Los impactos repetidos desgastan una superficie mediante una secuencia de mecanismos, desde un régimen leve de película de óxido hasta el agrietamiento subsuperficial que elimina escamas de metal. Esta página recopila la estructura subsuperficial que se forma bajo impacto, los mecanismos de daño y los datos de coeficientes que los respaldan, y las reglas de dureza y geometría que produjeron los estudios de desprendimiento en herramientas de percusión.
Dos etapas del desgaste por impacto
El desgaste por impacto comienza con un período de inducción en el que la superficie se deforma y se forma una huella de desgaste, pero no se pierde material en cantidades medibles. El final de ese período es el límite de desgaste cero, y es el punto desde el cual se cuenta el desgaste medible.
- El modelo que proporciona la fuente para el límite de desgaste cero trata cada impacto como una contribución de daño por el esfuerzo cortante superficial y por el esfuerzo cortante subsuperficial máximo. El factor de desgaste del material en esa expresión resulta de aproximadamente 1,1 para probetas de acero al carbono y acero para herramientas.
- Más allá del límite, la vida útil de la mayoría de los componentes está ligada a la pérdida de una profundidad específica de material en lugar del inicio del desgaste, por lo que la región de desgaste medible es la que conlleva la predicción de vida. Los valores de coeficiente medidos en la tabla a continuación se sitúan en la cola de este modelo, donde el volumen de desgaste sigue la energía de impacto y el número de impactos.
- Para metales sin lubricación, el coeficiente de desgaste por deslizamiento k se encuentra entre aproximadamente 5 x 10 a la menos 3 y 3 x 10 a la menos 5. Se espera que el coeficiente de desgaste por impacto K sea un orden de magnitud menor, entre aproximadamente 5 x 10 a la menos 4 y 1 x 10 a la menos 6, y los valores medidos a continuación caen dentro de esa banda.
| Superficie medida | Energía de impacto, kgf mm | Número de impactos | Lubricación | Coeficiente de desgaste por impacto K |
|---|---|---|---|---|
| Cobre, duro | 2 | 1 | Ninguno | 53 x 10-6 |
| Acero | 20 | 1 | Ninguno | 67 x 10-6 |
| Acero | 20 | 1 | Sí | 10 x 10-6 |
| Tungsteno | 138 | 2.4 x 103 | Ninguno | 130 x 10-6 |
| Cobre | 60 | 5 x 105 | Ninguno | 20 x 10-6 |
| Soft steel | 120 | 5 x 105 | Ninguno | 19 x 10-6 |
| Aleación de aluminio | 60 | 5 x 105 | Ninguno | 42 x 10-6 |
| Aleación de titanio | 120 | 5 x 105 | Ninguno | 15 x 10-6 |
| Hard steel | 160 | 5 x 105 | Ninguno | 28 x 10-6 |
| Hard steel | 700 | 4 x 103 | Ninguno | 43 x 10-6 |
| Hard steel | 42 | 2 x 104 | Ninguno | 104 x 10-6 |
| Hard steel | 0.36 | 6.5 x 104 | Ninguno | 14 x 10-6 |
| Hard steel | 0.36 | 4.3 x 105 | Sí | 1.2 x 10-6 |
| Soft steel | 0.36 | 1 x 104 | Ninguno | 247 x 10-6 |
| Soft steel | 0.36 | 3.2 x 106 | Sí | 0.8 x 10-6 |
Fuente: ASM Handbook, Vol. 11, Failure Analysis and Prevention (ASM International), valores del coeficiente de desgaste por impacto en el artículo Impact Wear Failures. La tabla de origen también incluye una columna de referencia, que se omite aquí porque sus filas se basan en varios estudios.
- La lubricación reduce el coeficiente aproximadamente un orden de magnitud en el mismo material a la misma energía, lo cual es visible en las dos filas de acero duro y las dos de acero blando que comparten una energía de impacto de 0,36 kgf mm.
- El acero blando a baja energía y pocos impactos presenta el coeficiente más alto del conjunto, con 247 x 10 a la menos 6. El mismo acero llevado a 3,2 millones de impactos lubricados cae a 0,8 x 10 a la menos 6, que es el comportamiento de rodaje que hace que las primeras horas de un contacto de impacto repetitivo sean tan dañinas.
La estructura que se forma bajo la superficie
La carga de impulsos repetitivos construye una estructura en capas bajo el contacto que está presente en una amplia gama de materiales. Se forma dentro de unos pocos cientos de impactos y luego mantiene un estado estable a medida que llegan más impactos, creciendo en ambos cuerpos en contacto.
| Zona | Qué es | Qué hace |
|---|---|---|
| Material base | La zona más alejada del contacto. Metal no alterado, y la referencia de lo que era la pieza antes de recibir impactos repetidos. | Sin deformación. |
| Zona de deformación | Material base deformado plásticamente, desde ninguna deformación en el límite interno hasta un máximo en el límite externo. Formada por el ciclo de esfuerzo repetido, y se endurece por deformación a medida que se forma. | Transición gradual hacia la capa blanca situada por encima. |
| White layer | La zona superficial, generalmente homogénea y de estructura fina, con dureza desarrollada in situ. Su composición suele ser mixta, tomando material de ambos cuerpos impactantes y del entorno. | Las microfisuras se nuclean aquí fácilmente una vez que está fuertemente endurecida por deformación, y la trayectoria de menor resistencia para ellas es la interfaz con la zona de deformación. |
Fuente: ASM Handbook, Vol. 11, zonas subsuperficiales encontradas bajo superficies sometidas a carga de impacto repetitivo, en el artículo Impact Wear Failures.
- La dureza aumenta en la superficie de los cuerpos impactantes. En la zona de deformación esto es endurecimiento por deformación. En la capa blanca, la dureza es una propiedad del material cercano a la superficie desarrollada in situ, y la capa misma se forma mediante una combinación de adhesión, mezcla mecánica y difusión.
- Cuando el metal bajo la superficie es frágil o no se deforma, la capa blanca aún se forma y el material base permanece sin deformar. Por lo tanto, la capa no es evidencia de que la pieza fuera blanda o estuviera mal tratada. Es evidencia de impacto repetitivo, y en el caso frágil se asienta directamente sobre metal no deformado.
- Las fisuras aparecen en algunas de estas estructuras y no en otras, y donde aparecen recorren la capa blanca o la interfaz con la zona de deformación. También se han encontrado capas blancas subsuperficiales a profundidades de decenas a varios cientos de micrones, y una fisura que corre en una de ellas elimina todo lo que hay entre ella y la superficie de desgaste.
Cómo se desprende el material
En la fuente se enumeran cinco mecanismos, y las condiciones de contacto deciden cuál está activo. La escala de severidad a continuación va desde el extremo leve hasta el extremo severo.
| Mecanismo | Cómo se ve | Dónde se encuentra |
|---|---|---|
| Desgaste oxidativo | El régimen leve. Las películas de óxido separan los cuerpos y reducen el contacto metal con metal. Los residuos son finos y en gran parte óxido metálico. | Contactos de baja tensión, incluidos aquellos con una pequeña cantidad de deslizamiento o fretting comportamiento. |
| Adhesión | El material se embarra y se transfiere de un cuerpo al otro. Las uniones se sueldan en las puntas de las asperezas, las fisuras se nuclean en las puntas endurecidas por deformación, y las puntas rotas permanecen adheridas a la otra superficie. | Impacto normal o compuesto moderado, comportándose de manera muy similar al desgaste adhesivo en deslizamiento. |
| Abrasión | Surcos de arado y un endurecimiento de la superficie de contacto. A mayores tensiones de impacto, aparecen nucleación de fisuras y partículas planas similares a placas dentro de los surcos. | Principalmente contactos de impacto compuesto, donde el deslizamiento acompaña al impacto. |
| Fatiga superficial y delaminación | Las fisuras subsuperficiales se nuclean, luego crecen a lo largo del límite de la capa blanca, y el material se desprende en escamas. Esta es la ruta de desprendimiento. | Las condiciones de contacto más severas, donde se construye y endurece por deformación la capa blanca. |
| Deformación plástica | El material no se elimina, se desplaza fuera del área de contacto como rebaba. | Superficies de golpeo blandas o poco endurecidas, y actúa como advertencia de daños mayores por venir. |
Fuente: ASM Handbook, Vol. 11, mecanismos de remoción de material en el artículo Impact Wear Failures.
| Condición de contacto | Qué ocurre |
|---|---|
| Low stress | Desgaste oxidativo, partículas pequeñas submicrónicas, una superficie altamente oxidada. Las tasas de desgaste son bajas porque las películas de óxido lubrican mejor que el metal desnudo. |
| impacto moderado | Un proceso similar al desgaste adhesivo en deslizamiento, con embadurnamiento y transferencia entre los cuerpos. |
| Contacto más severo | Fatiga superficial, crecimiento de grietas subsuperficiales y desprendimiento. Las brocas de carburo de tungsteno en la perforación de roca pierden material de esta manera. |
| Energía de impacto muy grande | Falla por fractura superficial, con rápida remoción de material. |
Fuente: ASM Handbook, Vol. 11, la evolución de los mecanismos de desgaste por impacto a medida que las condiciones en un contacto se vuelven más severas.
Desprendimiento El desprendimiento es un daño superficial en el que el material se separa de la superficie en forma de escamas o virutas, y abarca una superficie y una profundidad mayores que el picado. En ingeniería ferroviaria, una etapa avanzada se denomina descascarillado.
- En contactos de rodadura como pistas de rodamientos y dientes de engranajes, el picado comienza en los puntos de máxima tensión de contacto hertziana y forma pequeños picados de aproximadamente 0,5 a 1,0 mm de diámetro, y el número de ciclos de tensión decide hasta dónde llega. Las áreas más grandes de pérdida de material se denominan desprendimiento, y generalmente comienzan como fatiga subsuperficial por contacto de rodadura cíclico, por lo que el mismo daño también se denomina fatiga por contacto de rodadura o desgaste por fatiga.
- En herramientas de golpeo y golpeadas la misma remoción ocurre bajo impacto en lugar de rodadura. Un desprendimiento también puede seguir a un defecto en lugar de a un proceso de fatiga, y una de las causas registradas es una grieta de temple en la herramienta que luego se abre en un desprendimiento. La forma en que se lee una grieta de temple antes de convertirse en un desprendimiento se expone en la página de agrietamiento durante el temple.
- Mecánicamente, la capa blanca se endurece por deformación hasta que se nuclean microgrietas en ella, y esas grietas corren a lo largo del camino de menor resistencia, que es el límite con la zona de deformación debajo. El material luego se separa como una escama. Esa es una ruta diferente de la imagen clásica de delaminación, donde la acumulación de dislocaciones bajo carga de deslizamiento nuclea la grieta subsuperficial.
Límites de dureza y geometría para herramientas de golpeo
Se resumen seis especificaciones en la fuente, y entre ellas establecen las bandas de dureza con las que se fabrican las herramientas de golpeo en trabajos ferroviarios, industriales y de herramientas manuales. La tabla da el tipo de herramienta, la familia de acero y la dureza que permite la especificación.
| Especificación | Tipo de herramienta | Acero | Dureza, HRC |
|---|---|---|---|
| AREMA | Herramientas de vía de percusión | 9260A, y 9260B con molibdeno | Cara de golpeo 51 a 55, cara golpeada 44 a 48, filo de corte 56 a 60, extremo de punta 52 a 56 |
| ANSI B173.3-1991 | Herramientas de golpeo pesado | 0,45 a 0,88 carbono, 0,3 a 1,2 manganeso, 0,35 silicio máximo | Cara de golpeo 45 a 60, mazo partidor de leña 44 a 55, peña 45 a 60 |
| BS 876-1981 | Martillos | 0,5 a 0,6 carbono, 0,5 a 0,9 manganeso, 0,1 a 0,4 silicio, con 0,2 a 0,3 cromo por encima de 1,8 kg de masa de cabeza | Cara de golpeo 50 a 58, y 46 a 3 mm por debajo de la cara |
| GGG-H-86C-1963 | Martillos | 0,46 a 0,85 carbono, 0,2 a 0,9 manganeso, 0,1 a 3 silicio | Doble cara 44 a 55, carpintero 50 a 60, bola 50 a 57, con 92 a 105 HRB bajo un mango de 25 in. y 40 a 45 HRC sobre él |
| ANSI B209.3-1990 | Cuñas partidoras de leña | Acero al carbono | 35 máximo, verificado con un peso de caída de 10 lb desde 5 ft |
| ANSI B209.1-1991 | Cinceles | Acero al carbono o aleado | Cara golpeada 45 máximo, filo de corte 53 a 60 |
Fuente: ASM Handbook, Vol. 11, especificaciones de herramientas de golpeo y golpeadas en el artículo Spalling from Impact Events. Las herramientas ferroviarias de golpeo y golpeadas se fabrican actualmente con acero de grado B, y las herramientas no de percusión, como las barras de uña y las tenazas para rieles, con acero al carbono simple.
- La especificación de la American Railway Engineering and Maintenance of Way Association requiere que toda la cabeza de un mazo o mazo de clavos sea austenizada, templada y revenida, en lugar de endurecer solo el extremo de golpeo. Los ensayos de campo en la fuente se realizaron con martillos tratados en toda la cabeza.
- Las especificaciones de dureza para estas herramientas delimitan la banda segura por debajo y por encima. Dos de las seis permiten 60 HRC en la cara de golpeo, y la fuente señala que la fractura frágil por clivaje comienza justo por encima de ese nivel, lo que sitúa el límite superior incómodamente cerca del límite de seguridad. El límite inferior es de aproximadamente 50 HRC, reducido a aproximadamente 45 HRC donde la herramienta puede golpear otra herramienta de acero, porque una cara más blanda se deforma sobre un área más amplia y se abomba, lo cual es la advertencia visible de que se aproxima un desprendimiento. La lectura de un valor de dureza en una herramienta terminada se cubre en la página de métodos de ensayo de dureza.
Lo que encontraron los estudios de desprendimiento
La fuente revisa ensayos de campo y dispositivos de laboratorio que golpearon cabezas de martillo contra yunques y bloques de acero a energías y ángulos controlados. Los hallazgos se resumen a continuación, y las cifras de química citadas son solo de referencia.
| Hallazgo | Detalle |
|---|---|
| Grado de acero en un amplio rango | Los ensayos de campo en martillos que cubren aceros al carbono simples, un grado de cromo molibdeno al 1 por ciento, un grado de mayor aleación 0,65C-1Si-3Ni y martillos revenidos en la periferia, todos dentro de la banda de dureza de la especificación, no encontraron diferencias significativas en el desportillado ni en la tasa de desgaste. Los ensayos de laboratorio de desprendimiento en aceros 1045, 1060, 1072, 1075, 1080, 1552, 9260 y 4340 llegaron a la misma conclusión. |
| Límites de dureza utilizados en la práctica | Dos de las seis especificaciones permiten una cara de golpeo de hasta 60 HRC, que la fuente describe como muy cerca del límite de seguridad, porque la fractura frágil por clivaje comienza justo por encima. El límite inferior normalmente se sitúa alrededor de 50 HRC, y baja a aproximadamente 45 HRC donde la herramienta puede golpear otra herramienta de acero. A 45 HRC la herramienta se abomba en lugar de desprenderse, y el abombamiento es la advertencia. |
| Herramienta golpeada más blanda que la herramienta de golpeo | Cada especificación permite a la cara golpeada una dureza máxima menor que la cara de golpeo. Una herramienta golpeada más blanda se deforma, lo que agranda el área de contacto y reparte la carga, reduciendo la probabilidad de un desprendimiento en la herramienta más dura. |
| Geometría del filo | Los bordes achaflanados o con radio aumentan la resistencia al desprendimiento para impactos de borde contra superficie y de borde contra borde. Un radio medido al menos igual a un chaflán para pequeños solapamientos y mejor con un solapamiento de 4,8 mm. Los martillos de ajuste de hojalatero probados no tenían ningún chaflán, y se desprendieron fácilmente con una separación angular de solo 7,5 grados. |
| Ángulo de impacto | Para impactos de borde a superficie, la ventana de desprendimiento es estrecha, centrada cerca de 25 grados. Los martillos de uña no se desprendieron por debajo de unos 20 grados y se desprendieron con menos frecuencia a 35 grados. Ningún martillo pudo hacer que se desprendiera con un golpe a ras. |
| Endurecimiento por deformación en servicio | El endurecimiento por deformación de una cara de golpeo durante el uso elevó la dureza de 1,5 a 2,5 puntos HRC en un estudio de campo. Se registró desportillado aproximadamente una vez cada 200 semanas de martillo. |
Fuente: ASM Handbook, Vol. 11, las conclusiones extraídas de los estudios de desprendimiento y las secciones de geometría de herramienta y ángulo de impacto de Spalling from Impact Events. Las velocidades de la cabeza del martillo en las pruebas de laboratorio oscilaron entre 14 m por segundo para clavar clavos y 33 m por segundo para el desprendimiento deliberado contra un yunque de acero.
Donde el desgaste por impacto se encuentra con la selección de herramientas
Herramental sometido a impacto renuncia a la resistencia al desgaste abrasivo para ganar tenacidad, y los grados resistentes al choque son los elegidos para ello. Los grados y su comportamiento se detallan en la página de resistencia al desportillado, con S7 en la página del grado S7.
Cuando la herramienta se agrietó en lugar de desgastarse
Una herramienta dura que falla prematuramente sin desgaste alguno generalmente ha superado su presupuesto de tenacidad. Las causas etapa por etapa y la secuencia de examen se encuentran en la página de análisis de fallas de herramientas y matrices.
Lectura de la superficie de falla
Las marcas de playa, las marcas de trinquete, los chevrones y los hoyuelos dicen cada uno algo diferente, y el conjunto completo de lecturas se tabula en la tabla de características de la superficie de fractura.
Separación del desgaste de la sobrecarga
El desgaste, la fatiga y la sobrecarga se ven diferentes a la misma magnificación, y los seis modos de daño con sus firmas a tres escalas se recopilan en la gráfico de identificación de modos de daño.
Confirmar antes de cotizar
Los datos de composición son solo para referencia general. Los valores reales varían según la norma, la acería y el número de colada. Confirme con el certificado de ensayo del material o comuníquese con Aobo Steel.
Los valores de los coeficientes describen ensayos de laboratorio y de campo con los materiales y las condiciones de contacto indicados en la fuente. Dimensionan el efecto de un cambio de diseño o lubricación en lugar de especificar una vida útil para su herramienta. Confirme la geometría, la dureza y las condiciones de impacto de su propia aplicación antes de cambiar una especificación.
Páginas de referencia relacionadas
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Fuente: ASM Handbook, Volumen 11, Failure Analysis and Prevention (ASM International), artículo Impact Wear Failures de Roger Lewis y Rob Dwyer-Joyce, y artículo Spalling from Impact Events de Dennis L. McGarry, Gordon W. Powell y Cameron Lonsdale. Datos de referencia solo para comparación. Confirme la geometría de la herramienta y los límites de dureza con la norma que rige su propio producto. Aobo Steel suministra acero para herramientas en condición recocida.