Gripado de aceros inoxidables y cuánto esfuerzo requiere

El esfuerzo umbral de gripado, grado por grado

En el ensayo de botón sobre bloque se rota un botón cargado contra un bloque del mismo material hasta que la superficie se desgarra, y el esfuerzo de contacto al cual esto ocurre es el esfuerzo umbral de gripado. Un número más alto es mejor. Las entradas marcadas como no gripantes recorrieron todo el rango del ensayo sin desgarrarse, por lo que comparten un valor, y las dos columnas de unidades se reproducen tal como las imprime la fuente. La dureza se da como la da la fuente, ya sea en Rockwell B o Rockwell C.

Umbral de tensión de gripado de aceros inoxidables autoapareados en el ensayo de botón sobre bloque, ASTM G98, acabado rectificado sin lubricar, reproducido del ASM Handbook, Volumen 18. Las entradas marcadas con (a) no presentaron gripado dentro del rango del ensayo. Los valores se imprimen tal como figuran en la fuente.

Lo que dice la clasificación

Entre los grados austeníticos, las aleaciones de cromo-manganeso-nitrógeno superan a las aleaciones de cromo-níquel de dureza similar. S28200, S20161 y S21800 arrojan los umbrales más altos de la familia, mientras que N08020, la aleación rica en níquel, arroja el más bajo con 14 MPa. La fuente atribuye esto a dos efectos de aleación. El níquel es perjudicial para la resistencia al gripado y el silicio es beneficioso, lo que explica ambos extremos de la tabla. El Tipo 303, el grado de fácil mecanizado, se sitúa alto con 138 MPa por razones de su propia composición química y su superficie mecanizada, y es el recordatorio útil de que un grado elegido por una propiedad trae consigo otras propiedades.

Endurecer un grado austenítico mediante estirado en frío empeora su resistencia al gripado, no la mejora. El Tipo 304 cae de 55 MPa recocido a 86 HRB a 17 MPa estirado en frío a 27 HRC, y S28200 cae de 166 MPa a 62 MPa con el mismo cambio. Esta es la línea más contraintuitiva de la tabla, y se deriva del mecanismo. La resistencia al gripado en estas aleaciones proviene de la capacidad de endurecerse por deformación justo en el contacto, y un grado que ya ha sido trabajado en frío ha gastado esa capacidad antes de que la pieza entrara en servicio.

Entre los grados martensíticos, una mayor dureza de trabajo no produce por sí sola un umbral más alto, y las dos condiciones del Tipo 420 lo muestran claramente. Revenido a 204 C hasta 51 HRC arroja 25 MPa, y revenido a 260 C hasta 49 HRC arroja 55 MPa, por lo que la condición más blanda es la mejor. El Tipo 440C a 55 HRC es la entrada martensítica más fuerte con 125 MPa, lo que coincide con su reputación como acero inoxidable para herramientas de contacto deslizante. S42010 no presentó gripado a 50 HRC, y la cifra de dureza por sí sola no lo habría predicho.

Los grados de endurecimiento por precipitación siguen su temperatura de envejecimiento más que su contenido de aleación. S45500 pierde umbral de forma constante a medida que aumenta la temperatura de envejecimiento, de 90 MPa a 510 C a 59 MPa a 566 C y 28 MPa a 621 C, y S45000 hace lo mismo de 69 MPa a 14 MPa. Una pieza reenvejecida a mayor temperatura para ganar ductilidad cede resistencia al gripado al hacerlo.

Una suposición de diseño que no sobrevive a los datos

Una regla de trabajo común es que una gran diferencia de dureza entre dos piezas apareadas evita el gripado. Los datos de desgaste publicados no lo respaldan. Probados contra seis aleaciones de contracara diferentes, el Tipo 440C a 57 HRC y S21800 a 95 HRB resultaron buenas selecciones independientemente de la dureza del material contra el que corrieron. La elección de la mejor aleación, no el tamaño de la brecha de dureza, es lo que decide el resultado. Dentro de un mismo grado la dureza sigue importando, y el mismo ensayo muestra al Tipo 440C perdiendo 0,7 mm3 a 56 HRC y 44,1 mm3 a 26,5 HRC, por lo que el tratamiento de endurecimiento no es opcional una vez elegido el grado.

Los grados austeníticos que se endurecen por deformación más rápido son los que mejor resisten el desgaste adhesivo, que es la razón por la que S20161 y S21800 se sitúan en lo más alto de la clasificación de desgaste adhesivo en el ensayo de cilindros cruzados y por la que el martensítico Tipo 410 a 24,5 HRC se sitúa en lo más bajo. La misma clasificación coloca un acero para herramientas común a la cabeza del grupo.

Clasificación relativa de la resistencia al desgaste adhesivo de materiales forjados, reproducida del ASM Handbook, Volumen 18. La pérdida de peso está en miligramos por mil ciclos en el ensayo de cilindros cruzados, ASTM G83, a 71 N. El acero para herramientas D2 a 61 HRC es la mejor entrada de la tabla, por delante de la aleación de recargue base cobalto en la tercera fila.

La temperatura cambia la respuesta

El desgaste adhesivo no es una propiedad fija de un par, porque tanto la película de óxido como la tensión de fluencia cambian con la temperatura. S21800 mejora a medida que la junta trabaja más caliente, su pérdida de volumen cae de 2,6 mm3 a 80 C a 2,2 mm3 a 315 C y 1,3 mm3 a 540 C, y el Tipo 304 mantiene un nivel similar en el mismo rango. El Tipo 410 se comporta de manera opuesta. A 95 HRB pierde 282,8 mm3 a 80 C, y endurecerlo a 40 HRC reduce eso a 42,1 mm3, que es el caso para endurecer un grado martensítico incluso donde el umbral de gripado dice que el revenido más blando es mejor. La aleación de recargue base cobalto en la misma serie comienza baja y sube con la temperatura, que es la razón por la que no es la respuesta automática en cada calor.

Qué hacer con una herramienta inoxidable que se agarrota

Medidas contra el gripado en utillaje de acero inoxidable y piezas acopladas, de ASM Handbook, Volumen 18. Los métodos de ensayo publicados detrás de la tabla son el ensayo de cribado button on block y, para conexiones roscadas, un ensayo de montaje y desmontaje sobre la conexión real.

Cuando la pieza es un acero para herramientas en lugar de una pieza de acero inoxidable, el mismo mecanismo decide el grado y la respuesta se expone en la página de calidades resistentes al desgaste adhesivo. Los dos aceros para herramientas inoxidables que llevan estos datos en un taller de utillaje son acero inoxidable 440C, el umbral más alto de la familia martensítica, y acero inoxidable 420, que necesita el revenido correcto para dar su mejor resultado.

Grados y existencias

El acero para herramientas inoxidable se compra por dos propiedades a la vez, y el desgaste o el gripado es solo la primera. El lado de la corrosión se expone en la tabla de resistencia a la corrosión del acero inoxidable, el lado de la composición en la tabla de composición del acero inoxidable, y la página de sensibilización cubre lo que el calor le hace al cromo en servicio.

Cuando el daño en la pieza es una mancha o un picado en lugar de una superficie desgarrada, el mecanismo es diferente y el diagnóstico está en la página de corrosión por picadura, con el caso de rendija en corrosión por rendija del acero para moldes. Cuando la superficie se desgarró porque dos piezas estaban fretando en lugar de deslizando, el patrón se describe en la página de desgaste por fretting, y cuando un troquel falló por una razón distinta a que la pieza se le pegara, la lista de mecanismos está en la página de mecanismos de desgaste y falla de troqueles.

Fuente: ASM Handbook, Volume 18, Friction, Lubrication, and Wear Technology, ASM International, 1992.