Pruebas de dureza portátiles de acero para herramientas
Una matriz de estampado, un dado de forja o un rodillo de laminación no se pueden llevar a un durómetro de banco, por lo que la lectura de dureza en una herramienta grande generalmente se toma con un instrumento portátil. Los tres métodos de uso común no miden todos lo mismo, y esa diferencia decide para qué se puede y para qué no se puede usar un número tomado en el taller de prensas. Esta página cubre el escleroscopio, el durómetro Leeb o Equotip y el durómetro ultrasónico, los límites de cada uno, y un caso documentado en el que una lectura en sitio encontró un problema que una prueba Rockwell de banco había aprobado.
Las pruebas de rebote y las pruebas de indentación miden propiedades diferentes
La dureza puede relacionarse empíricamente ya sea con la respuesta elástica de un material o con su deformación plástica, y las dos familias de ensayos se basan en esas dos cosas. Los ensayos de banco, Rockwell, Brinell, Vickers y Knoop, determinan la dureza en términos de comportamiento plástico midiendo el tamaño o la profundidad de una indentación. Las pruebas de rebote portátiles relacionan la dureza con la respuesta elástica del material. Eso es lo primero que hay que tener presente cuando un número tomado con un instrumento de mano se compara con una cifra de dureza en un certificado de acero o un plano, porque los dos números no se obtuvieron de la misma manera.
Tres métodos cubren casi todo el trabajo en sitio sobre herramientas. Dos de ellos son pruebas de rebote, el escleroscopio y el durómetro Leeb, y el tercero, el durómetro ultrasónico, es una prueba de indentación hecha portátil.
Prueba de dureza con escleroscopio
El escleroscopio es un martillo con punta de diamante que se deja caer desde una altura fija sobre la superficie de la pieza. La altura de rebote es la medida de la dureza. Fue inventado por Albert F. Shore en 1907 y fue el primer durómetro metalúrgico disponible comercialmente fabricado en Estados Unidos. Ya no se fabrica en Estados Unidos, pero todavía se usa para probar especímenes muy grandes, como rodillos de acero forjado o de acero aleado trabajado, que es exactamente la clase de pieza que manejan un proveedor de acero para herramientas y un taller de matrices.
La escala está definida sobre acero para herramientas, lo cual vale la pena saber cuando le citan a uno un número de escleroscopio. Cien unidades es el rebote promedio del martillo desde un acero para herramientas templado en agua hasta la dureza máxima y dejado sin revenir. La escala continúa por encima de 100 para que se puedan medir materiales más duros que el acero para herramientas totalmente endurecido, y el instrumento modelo C está graduado de 0 a 140. Como guía aproximada, el acero duro da alrededor de 100, el acero de dureza media alrededor de 50, y los metales blandos entre 10 y 15.
Se fabricaron dos modelos. El modelo C lee el rebote directamente en una escala vertical a través de un tubo de vidrio, y puede usarse sin montaje en piezas de tamaño ilimitado, siempre que la pieza pese al menos 2,3 kg (5 lb) para que absorba la inercia del martillo. El modelo D detiene el martillo en la parte superior de su rebote y lo lee en un dial o una pantalla digital; como su alineación vertical es crítica, no debe usarse sin montaje. Ambos están disponibles en una calibración estándar que cumple con ASTM E448 y se correlaciona directamente con valores Rockwell C, Brinell y Vickers, y en una calibración para rodillos según ASTM A427 que se usa para rodillos de acero aleado endurecido trabajado homogéneo para productos laminados planos, simbolizada HFRSc o HFRSd.
Las ventajas del método en herramientas grandes son que es rápido, se pueden hacer más de 1000 pruebas por hora, no requiere un operador muy capacitado, no deja un cráter evidente en una superficie terminada, y una sola escala cubre todo el rango desde el metal más blando hasta el más duro. Sus limitaciones son igual de prácticas. El instrumento debe mantenerse vertical para que el martillo caiga libremente. Es más sensible a la condición de la superficie que otras pruebas de dureza, por lo que una superficie excesivamente rugosa da lecturas erráticas y puede ser necesario limar, mecanizar, rectificar o pulir la superficie, sin sobrecalentarla ni trabajarla en frío. La masa o la configuración de la pieza afecta la lectura, y las piezas delgadas o livianas deben sujetarse firmemente; un sonido hueco y resonante en lugar de un golpe sordo al impacto significa que la pieza no está bien apoyada. Se hacen cinco determinaciones y se promedian. Las indentaciones deben espaciarse al menos 0,50 mm (0,020 in.) entre sí, y una pieza plana con caras paralelas puede probarse hasta 6 mm (0,25 in.) del borde si está bien sujeta.
Los espesores mínimos de chapa que acepta el método se indican a continuación.
| Metal | Espesor mínimo, mm | Espesor mínimo, in. |
|---|---|---|
| Acero endurecido | 0.13 | 0.005 |
| Fleje de acero acabado en frío | 0.25 | 0.010 |
| Fleje de latón recocido | 0.38 | 0.015 |
| Fleje de latón semiduro | 0.25 | 0.010 |
Espesor mínimo de chapa que se puede probar en dureza con un escleroscopio. La chapa debe estar plana y sin ondulaciones; una chapa combada se coloca con el lado cóncavo hacia arriba.
Las lecturas se indican por el rebote máximo del martillo en el primer bote, por lo que incluso los operadores más experimentados pueden discrepar en uno o dos puntos sobre la misma pieza.
Prueba de dureza Leeb (Equotip)
Un durómetro Leeb es un instrumento portátil que funciona con el mismo principio de rebote. Un cuerpo de impacto es impulsado hacia la muestra por un resorte, forma una pequeña huella y rebota alejándose de la superficie según la dureza y la elasticidad del material. Una bobina de inducción electrónica mide la velocidad del cuerpo de impacto antes y después del contacto, y el número de dureza Leeb se calcula a partir de la relación de las dos velocidades. El número se escribe HL seguido de una o más letras de sufijo que identifican el dispositivo de impacto. El método también se conoce como dureza Equotip, por la marca registrada, y está estandarizado como ASTM A956.
Todos los durómetros Leeb son electrónicos y muestran el resultado digitalmente, y la elección del dispositivo de impacto es la primera decisión en un trabajo. Los dispositivos difieren en dureza máxima y en la masa mínima de muestra que necesitan, porque la prueba se basa en un rebote y la masa de la muestra es por lo tanto crítica para el resultado. Una pieza demasiado liviana todavía puede probarse acoplándola cuidadosamente a una masa mayor. La tabla siguiente es la guía de selección.
| Dispositivo de impacto | Dureza máx., HRC | Masa mín. de muestra, kg | Masa mín. de muestra, lb | Dónde se utiliza |
|---|---|---|---|---|
| D | 68 | 5 | 11 | El dispositivo de impacto básico, para la mayoría de las pruebas de aceros forjados y fundidos, aleaciones de aluminio, aleaciones de cobre y fundiciones de hierro |
| DC | 68 | 5 | 11 | Los mismos materiales que el D, conformado para medir en espacios confinados como barrenos |
| D+15 | 68 | 5 | 11 | Cuerpo delgado con la bobina de medición retrasada, para agujeros y ranuras pequeños |
| G | 60 | 15 | 33 | Más grande y con mayor energía de impacto, para piezas de ensayo grandes y pesadas: forjas de acero, fundición de hierro, acero fundido |
| C | 68 | 1.5 | 3.3 | Baja energía de impacto, para componentes endurecidos superficialmente, recubrimientos y piezas de acero de pared delgada |
| E | 70 | 5 | 11 | Punta de prueba de diamante sintético, para forjas o fundiciones de acero de dureza extremadamente alta |
Dispositivos de impacto Leeb y sus aplicaciones.
Como el número Leeb no se reconoce universalmente, la mayoría de los instrumentos incluyen una conversión incorporada a Rockwell, Brinell, Vickers y escleroscopio. El problema con esas conversiones es que dependen fuertemente del material, generalmente a través del módulo elástico del material, por lo que un durómetro mantiene datos de conversión separados para varias clases de material: aceros, fundición de hierro, aluminio y latón entre ellos. Convertir una lectura Leeb en acero para herramientas con la clase de material incorrecta cargada es una forma común de producir un número que no coincidirá con una prueba de banco.
Tres puntos operativos deciden si una lectura Leeb significa algo. El primero es el ángulo: los durómetros pueden trabajar en varios ángulos pero necesitan una corrección por la gravedad que actúa sobre el cuerpo de impacto cuando el dispositivo no está vertical, y la corrección con frecuencia está incorporada en el instrumento o se suministra como una tabla para restar. El segundo es el acabado superficial, donde una superficie más rugosa normalmente da un resultado más blando. El tercero es la curvatura: las superficies cóncavas o convexas pueden probarse si el radio de curvatura es mayor que 30 mm (1,18 in.) para todos los dispositivos excepto el tipo G, que necesita 50 mm (2 in.). Hay adaptadores disponibles para superficies redondas e irregulares. La calibración solo puede verificarse contra bloques de prueba estandarizados, promediando diez lecturas en la superficie del bloque, y la unidad se considera calibrada si el promedio está dentro de 13 números del valor del certificado.
Prueba de dureza ultrasónica
El método ultrasónico no es una prueba de rebote. Un diamante Vickers está unido a un extremo de una varilla metálica magnetoestrictiva que es excitada a su frecuencia natural por un convertidor piezoeléctrico. Cuando el extremo libre se pone en contacto con un sólido, la frecuencia de resonancia de la varilla cambia, y una vez que el instrumento está calibrado para el módulo elástico conocido del material que se está probando, el área de contacto entre la punta de diamante y la superficie puede derivarse del cambio de frecuencia. A fuerza constante, el área de contacto es inversamente proporcional a la dureza, por lo que la frecuencia medida se convierte en un número de dureza, mostrado directamente en Vickers o Rockwell C.
La carga máxima de indentación es de alrededor de 800 gf, lo que sitúa la profundidad de indentación entre 4 y 18 µm. En la gran mayoría de los casos la superficie de la pieza no se daña y la prueba puede tratarse como no destructiva. Una lectura toma menos de 15 segundos, se pueden probar hasta 1200 piezas por hora, y el instrumento es lo suficientemente pequeño para funcionar con baterías, permite mediciones en cualquier orientación mediante una sonda accionada por motor, y solo necesita una calibración de un punto. Es el más portátil de los durómetros de microdureza y, a diferencia del escleroscopio, no le importa cuán pesada sea la pieza.
Existe una ventaja técnica sobre el ensayo de microdureza convencional que vale la pena entender. El instrumento ultrasónico mide el área de contacto mientras la carga aún está aplicada, mientras que un ensayo convencional Vickers o Knoop mide la huella después de retirar la carga, y la recuperación elástica al descargar puede sesgar esa medición. El ensayo ultrasónico también utiliza una sola fuerza de carga en lugar de una carga menor y una mayor, por lo que no necesita el sistema sensible de medición de desplazamiento ni el marco rígido que requiere el ensayo Rockwell, y en muchos casos puede usarse sin sujetar ni soportar rígidamente la pieza.
Los límites provienen del mismo diseño. No hay sistema óptico, que es lo que hace que la sonda sea pequeña y rápida, pero también significa que el penetrador no puede posicionarse con precisión sobre un microconstituyente, por lo que la dureza de carburos individuales queda fuera del alcance de este instrumento. También dificulta un barrido de dureza a través de una capa cementada, porque posicionar el penetrador a 0,05 o 0,10 mm (0,002 o 0,004 in.) de un borde es difícil. La solución es invertir el barrido: tomar la primera lectura bien dentro de la pieza, más allá de la profundidad de la capa cementada, y avanzar hacia afuera a intervalos prescritos hasta que una lectura blanda indique que el penetrador ha alcanzado el material de montaje. Finalmente, el ensayo ultrasónico es un ensayo de microdureza, por lo que los requisitos de acabado superficial son estrictos y lo son más a medida que disminuye la carga; se requiere un acabado metalográfico preparado según ASTM E3, y el esmerilado o pulido debe evitar el calentamiento y la distorsión de la superficie.
Un molde que pasó el ensayo de banco y aún así presentó grietas térmicas
El valor práctico de un método de dureza en sitio se muestra en un caso documentado en la fuente. Una planta de fundición a presión tenía problemas con grietas térmicas en moldes fabricados con acero para herramientas H13, templado y revenido. Los ensayos de dureza en sitio con un instrumento ultrasónico demostraron que la superficie superficial era bastante blanda como resultado de la descarburación, aunque las lecturas reales de Rockwell C en los mismos moldes eran aceptables. La capa descarburada en la superficie era la causa de las grietas térmicas, y se corrigió el procedimiento de tratamiento térmico.
El orden de las dos lecturas es lo importante. Un ensayo Rockwell de banco sobre un molde normalmente se toma sobre una superficie preparada, y la piel descarburada puede eliminarse o quedar fuera del volumen de medición; la lectura ultrasónica alcanza solo las pocas micras más externas, que es precisamente donde se encuentra la descarburación. Para una herramienta que falla en la superficie, por grietas térmicas, por fisuración desde un borde de trabajo o por desgaste, una dureza masiva que cumple el plano no es evidencia de que la superficie con la que trabaja la herramienta sea sana.
Comparación de los tres métodos
La tabla a continuación compara los tres métodos en los puntos que deciden cuál usar en una herramienta o un molde. Tenga en cuenta que los métodos de rebote relacionan la dureza con la respuesta elástica, mientras que el método ultrasónico la relaciona con el comportamiento plástico, por lo que un número Scleroscope o Leeb no debe presentarse como un valor Rockwell C sin indicar cómo se obtuvo.
| Escleroscopio | Leeb (Equotip) | Ultrasónico | |
|---|---|---|---|
| Qué mide | Altura de rebote de un martillo dejado caer sobre la superficie | Velocidad de rebote de un cuerpo de impacto impulsado por resorte | Desplazamiento en la frecuencia de resonancia de una varilla vibrante que lleva una punta de diamante |
| Dureza relacionada con | Respuesta elástica | Respuesta elástica | Comportamiento plástico (área de contacto) |
| Lectura | Número Scleroscope, escala 0-140 | Número Leeb HL, con una letra de sufijo del dispositivo | Vickers o Rockwell C en una pantalla digital |
| Carga / energía | Altura de caída fija, peso del martillo | Impacto impulsado por resorte, dependiente del dispositivo | Aproximadamente 800 gf máximo |
| Profundidad de indentación | . . . | . . . | 4-18 µm, superficie normalmente intacta |
| Estándar | ASTM E448; calibración de rodillo ASTM A427 | ASTM A956 | Específico del instrumento, calibrado en bloques de referencia |
| Puede usarse sin montaje en un molde grande | Solo modelo C, pieza de más de 2,3 kg (5 lb) | Sí, la masa de la pieza determina la lectura | Sí, de mano o con soporte, cualquier orientación |
| Principal limitación en acero para herramientas | Debe permanecer vertical; la condición de la superficie afecta fuertemente la lectura | Las lecturas dependen de la masa y el ángulo, y las conversiones dependen del material | Requiere un acabado superficial metalográfico, y no tiene óptica para apuntar el penetrador |
Los tres métodos portátiles de dureza utilizados en herramientas.
Qué significa esto en un pedido de acero para herramientas
La dureza de entrega en el acero para herramientas es un valor de banco, tomado sobre una superficie preparada de una probeta o de la propia barra, y se expresa en HRC o HB. Una lectura tomada sobre un molde terminado con un instrumento portátil es una medición diferente con una incertidumbre diferente, y las dos no deben compararse directamente sin indicar qué método produjo cada número. Cuando una lectura portátil resulta baja en una herramienta grande, la secuencia que lo resuelve es la del caso anterior: verificar si la lectura baja es un efecto superficial por descarburación o rectificado, verificar el instrumento contra su bloque de referencia, y solo entonces tratarlo como un problema de dureza en el acero. En barra redonda, la geometría de la pieza también modifica la lectura de banco, lo cual se trata en nuestra página sobre Factores de corrección del ensayo de dureza para barra redonda, y la sección más pequeña que puede soportar un ensayo de banco en Espesor mínimo para el ensayo de dureza.
Antes de cotizar una lectura de dureza portátil
Solo una tabla de referencia, no es una especificación de Aobo Steel. Una lectura por rebote y una lectura Rockwell de banco no son la misma medición, y una lectura portátil incorpora al número la condición superficial, la masa de la pieza y el operador. Confirmar el método, el instrumento y su calibración antes de que un valor pase a un plano, un pedido o una decisión de aceptación.
Fuente: ASM Handbook, Volume 8, Mechanical Testing and Evaluation, ASM International, 2000. Secciones de escleroscopio, Leeb y ultrasónico de Miscellaneous Hardness Tests por Edward L. Tobolski, Wilson Instrument Division, Instron Corporation (PDF p547-563).