Ensayo de dureza por microindentación de acero para herramientas
Una lectura Rockwell C responde una pregunta: qué tan duro es el grueso de esta pieza de acero. No puede medir una hoja delgada, un punzón pequeño, una capa nitrurada, una piel descarburada ni un solo microconstituyente, y no dice nada sobre dónde comienza un cambio de dureza en la sección. Esos trabajos se realizan con un ensayo de microindentación Vickers o Knoop. Esta página cubre qué hace cada uno de los dos indentadores, cómo se elige la fuerza de ensayo, por qué el mismo acero para herramientas puede arrojar diferentes números de microdureza en dos laboratorios, y dónde se usa el método en herramientas.
Qué es el ensayo de microindentación
En el ensayo de dureza por microindentación se presiona un indentador de diamante de geometría definida contra una superficie preparada con una fuerza conocida de 1 a 1000 gf, que es lo que ASTM E384 establece como rango. A este mismo rango a veces se le llama microdureza, aunque el término describe indentaciones pequeñas y no valores bajos de dureza. La práctica europea divide el campo de otra manera y llama rango de baja carga a 200 a 3000 gf, por una razón que importa aquí: las fuerzas por debajo de unos 200 gf generalmente producen números de dureza que difieren de los producidos a 200 gf y más.
El ensayo Vickers utiliza una pirámide de diamante de base cuadrada con un ángulo de 136° entre caras opuestas. El ángulo se eligió en 1925 para acercar los números lo más posible a la dureza Brinell en la misma probeta, por lo que un valor Vickers se sitúa cerca del valor Brinell para el mismo acero. Ambas diagonales de la indentación se miden después de retirar la fuerza y se usa la media, con la dureza calculada a partir del área superficial de la indentación dividida por la fuerza aplicada. A diferencia de Rockwell, una sola escala cubre todos los materiales.
El ensayo Knoop utiliza un diamante romboédrico cuya diagonal larga es aproximadamente siete veces la corta. Solo se mide la diagonal larga, y la dureza se calcula a partir del área proyectada de la indentación. La forma estrecha es la razón por la que el indentador Knoop se usa en piezas cementadas y en secciones delgadas, porque en un gradiente de dureza pronunciado la diagonal larga puede colocarse perpendicular al gradiente y mantenerse en material de una sola dureza, mientras que una indentación Vickers a través del mismo gradiente puede terminar con sus dos mitades de diferente longitud y ninguna medición válida.
Ambos ensayos se calculan bajo el supuesto de que el material no recupera cuando se retira la fuerza y se levanta el indentador. Ese supuesto rara vez se cumple, y aunque a veces se dice que el ensayo Knoop elimina la recuperación, no lo hace en materiales metálicos. La indentación medida, por lo tanto, nunca es exactamente la indentación que se formó.
| Vickers (HV) | Knoop (HK) | |
|---|---|---|
| Indentador | Pirámide de diamante de base cuadrada, 136° entre caras opuestas | Diamante romboédrico, diagonal larga aproximadamente siete veces la diagonal corta |
| Qué se mide | Ambas diagonales; se usa la media | Solo la diagonal larga |
| La dureza se basa en | Área superficial de la indentación dividida por la fuerza aplicada | Área proyectada de la indentación dividida por la fuerza aplicada |
| Comportamiento en un gradiente de dureza | Las mitades de la indentación pueden diferir en longitud a través de un gradiente pronunciado, lo que puede imposibilitar una indentación válida | La forma estrecha se adapta a gradientes pronunciados: la diagonal larga se coloca perpendicular al gradiente |
| Medición de la indentación | El contraste en las esquinas es mejor | Contraste más débil en las puntas de la diagonal larga |
| Dureza versus fuerza de ensayo | Esencialmente constante de 100 a 1000 gf, mayor dispersión por debajo de 100 gf | Aumenta a medida que disminuye la fuerza, porque las puntas fácilmente quedan subdimensionadas |
| Conversión a Rockwell C | Conversiones ASTM E140 utilizables para cualquier fuerza superior a 100 gf | Problemática, porque HK varía más con la carga; una tabla publicada para 500 gf es mejor a esa carga |
Microindentación Vickers y Knoop en paralelo, recopilado del texto del artículo.
Elección de la fuerza de ensayo: mantener la indentación por encima de 20 micrómetros
La fuerza no es una elección libre, y este es el punto que decide si una cifra de microdureza vale algo. ASTM E384 recomienda que el operador mantenga las indentaciones con diagonales mayores de 20 µm, porque cuanto más pequeña es la indentación, mayor es la penalización por cada micrómetro de error de medición. En una indentación Vickers con una diagonal media de 10 µm, una variación de medición de ±0.5 µm equivale aproximadamente a un aumento o disminución del 10 por ciento en la dureza calculada. En un acero blando eso puede ser tolerable; en un acero para herramientas a 60 HRC, un error del 10 por ciento no lo es.
Dado que un acero más duro produce una indentación más pequeña a la misma fuerza, cuanto más dura es la probeta, mayor debe ser la fuerza para mantener la indentación por encima del límite. La consecuencia práctica es que una fuerza de ensayo que funciona en el núcleo de un molde puede ser demasiado baja en su capa endurecida, y un barrido a través de una capa generalmente se realiza a una sola fuerza elegida de modo que la indentación más pequeña del barrido, la del material más duro, aún supere los 20 µm. Donde la capa es poco profunda, las indentaciones pueden distribuirse en varias trazas paralelas a diferentes profundidades para que el espaciado no distorsione el gradiente.
Un ejemplo hace concreta la aritmética. En una pieza endurecida por inducción que se espera que vaya de aproximadamente 750 HV en la superficie a 250 HV en el núcleo, una fuerza de 100 gf da una indentación de menos de 16 µm a 750 HV, lo que está por debajo del límite recomendado y es una mala elección para el extremo duro del barrido. Una fuerza de 200 gf da aproximadamente 22 µm a 750 HV y aproximadamente 40 µm a 250 HV. Una fuerza de 300 gf da aproximadamente 27 µm y aproximadamente 47 µm, y puede ser aún la mejor opción, siempre que la capa sea lo suficientemente profunda para que una indentación de 300 gf quede dentro de ella.
| Dureza esperada | 100 gf | 200 gf | 300 gf |
|---|---|---|---|
| 750 HV en la superficie | menos de 16 µm, demasiado pequeña | aproximadamente 22 µm | aproximadamente 27 µm |
| 250 HV en el núcleo | . . . | aproximadamente 40 µm | aproximadamente 47 µm |
Tamaño de huella en micrómetros frente a la fuerza de ensayo, para un recorrido transversal a través de una pieza endurecida por inducción. Las cifras se leen aproximadamente de la fuente. ASTM E384 recomienda mantener la diagonal por encima de 20 µm.
El espaciado sigue la misma lógica. La penetración crea un campo de deformación elástica y plástica alrededor de la huella, y una segunda huella colocada demasiado cerca se deforma en el lado que mira hacia la primera, lo que produce un número erróneo. La distancia de centro a centro debe ser al menos 2,5 veces la diagonal para una huella Vickers, y al menos dos veces la diagonal corta para una huella Knoop. El centro de una huella debe situarse al menos a 2,5 diagonales de un borde de la probeta, aunque se ha demostrado que 1,8 diagonales es aceptable.
El producto delgado tiene un límite más además de la regla de la diagonal. Para lámina y alambre en un programa de control de calidad, la profundidad de la huella no debe ser más del 10 por ciento del espesor o del diámetro. Una lámina dura de 0,002 in. (51 µm) puede soportar una fuerza de hasta aproximadamente 800 gf, pero la validez del resultado depende de la dureza que se encuentre: si un ensayo de 500 gf en esa lámina devuelve aproximadamente 200 HK, la fuerza fue demasiado alta para que el resultado sea confiable y la lámina debe reensayarse a no más de 300 gf.
Por qué el mismo acero para herramientas puede dar dos números de microdureza diferentes
Se afirma ampliamente que la dureza Vickers es constante con la fuerza de ensayo en el rango macro, y la literatura que reporta un cambio a fuerzas menores a menudo lo ha atribuido al material. Un ensayo interlaboratorio controlado según ASTM E4 dice lo contrario, y el hallazgo vale la pena conocerlo antes de que un número de microdureza se use para aceptar o rechazar acero.
En ese programa, un solo operador hizo huellas en un conjunto de probetas ferrosas y no ferrosas a fuerzas de 25 a 1000 gf, cinco veces a cada fuerza, y luego dos docenas de personas midieron exactamente las mismas huellas. Las cuatro tendencias reportadas en la literatura para la dureza frente a la fuerza de ensayo aparecieron en los datos de medición de huellas idénticas. Algunos evaluadores produjeron dureza decreciente al disminuir la fuerza, uno produjo dureza creciente, uno no produjo cambio, y otros produjeron un aumento seguido de una caída. Los laboratorios que fueron atípicos en otras probetas no coincidieron con el resto. Nada del acero difería entre los evaluadores; la variación provino únicamente de cómo midieron las huellas. La tendencia que se obtuvo con más frecuencia, y la que más se reporta en la literatura, es la dureza que cae a medida que cae la fuerza, lo que corresponde a huellas pequeñas medidas con exceso de tamaño a los aumentos en uso.
El ensayo Knoop se comporta en la dirección opuesta por la misma razón subyacente. El contraste en las puntas de la diagonal larga es más débil que en las esquinas de una huella Vickers, por lo que es más probable que la diagonal larga se mida corta, lo que devuelve un número de dureza demasiado alto. Por lo tanto, la dureza Knoop aumenta a medida que cae la fuerza de ensayo, y el aumento es mayor en acero más duro; los resultados son estadísticamente idénticos de 200 a 1000 gf.
Se siguen dos conclusiones para el acero para herramientas. Por encima de aproximadamente 100 gf, y en particular entre 200 y 1000 gf, los números Vickers son lo suficientemente estables para comparar entre laboratorios. Por debajo de 100 gf, el número conlleva una incertidumbre de medición que crece con la dureza del acero, y una discrepancia entre un proveedor y un cliente a esas cargas es más probable que sea una discrepancia de medición que una metalúrgica. La carga y el procedimiento de medición deben figurar en la orden de compra siempre que se use una cifra de microdureza como criterio de aceptación.
Conversión de valores Vickers y Knoop a Rockwell C
Las especificaciones de producto a veces definen una profundidad de capa en la escala Rockwell C, que es una escala de ensayo masivo y no es adecuada para el propósito, pero la práctica es lo suficientemente común como para que la conversión deba abordarse. Las conversiones de dureza se desarrollan empíricamente, y cada una de ellas conlleva un error. La fuente principal es ASTM E140, que enumera las conversiones como tablas y también como ecuaciones, y la mayoría de los medidores de microindentación modernos incluyen esas tablas para que se pueda imprimir una dureza equivalente junto a cada medición.
Convertir datos Vickers a otra escala es más directo que convertir datos Knoop, porque la dureza Knoop varía más con la carga. Las conversiones ASTM E140 entre Vickers y otras escalas pueden usarse a cualquier fuerza de ensayo por encima de 100 gf. Una conversión Knoop es un instrumento específico de carga: una publicada para una carga de 500 gf es mejor a esa carga, razonablemente precisa a cargas ligeramente menores, y generalmente adecuada a cargas mayores, porque la dureza Knoop se vuelve razonablemente constante a 500 gf y más. La práctica segura en un material que realmente compra es ensayarlo en ambas escalas y ver qué tan bien concuerda la tabla con sus propias probetas antes de que la conversión se escriba en una especificación. Nuestra página sobre conversión de Vickers a Rockwell C para acero para herramientas establece el rango endurecido, y la calculadora más amplia en conversión de dureza de acero para herramientas cubre las bandas HRC y HRB.
La preparación de la probeta decide el resultado
La preparación para microindentación no es un asunto menor, y se vuelve más crítica a medida que disminuye la fuerza. De 300 a 1000 gf no se requiere un acabado perfecto, pero eso no excusa dejar daños de corte y rectificado; una preparación normal puede detenerse después del rectificado y pulido a un acabado de diamante de 6, 3 o 1 µm. A fuerzas menores, la probeta debe prepararse hasta una condición libre de daño, siguiendo ASTM E3. El daño residual del corte y el rectificado influye en el resultado, y dependiendo de su naturaleza puede empujar la dureza aparente hacia arriba o hacia abajo respecto del valor verdadero.
El ensayo cerca de un borde es donde se encuentran la preparación y la técnica, y es exactamente lo que necesita una página de acero para herramientas, porque así se mide la dureza de un recubrimiento, una capa cementada o nitrurada, una superficie endurecida por inducción o una piel decarburizada. La preservación del borde significa planitud hasta el borde. Una buena resina epóxica termoendurecible, montada y enfriada a temperatura ambiente bajo presión, equipos de preparación automatizados y paños sin pelusa mantendrán bien un borde sin necesidad de recubrir la probeta, y las probetas masivas sin montar también pueden prepararse con retención de borde adecuada en equipos automatizados.
Dónde se usa esto en utillaje
La aplicación clásica del ensayo de microindentación es la evaluación de un cambio en la dureza superficial. Se miden los aumentos por cementación, nitruración o endurecimiento superficial localizado, y también las disminuciones por decarburización o por calentamiento localizado. Un recorrido de dureza convierte lo que el ojo puede ver en una sección transversal pulida en un número: la magnitud del cambio y la profundidad a la que ocurre.
La profundidad de capa en una herramienta normalmente se especifica como la profundidad a una dureza declarada, y 550 HV es el umbral habitual para una pieza cementada o nitrurada. El recorrido que la produce es una línea de huellas desde la superficie hacia adentro, tomada a una sola fuerza y un espaciado que mantiene cada huella separada de la siguiente, hasta que la lectura alcanza la dureza del núcleo del acero. La decarburización se mide de la misma manera desde la dirección opuesta: una piel blanda de profundidad medible bajo una capa que puede ser perfectamente aceptable más adentro. Para un dado que agrieta por fatiga térmica o un filo de corte que se desafila prematuramente, un recorrido a través de la superficie fallada es lo que separa un problema de acero o de tratamiento térmico de un problema de servicio, porque pone un número a la capa blanda en lugar de dejarla como una impresión.
Qué significa esto en un pedido de acero para herramientas
La dureza de entrega en acero para herramientas es un valor masivo en HRC o HB, tomado sobre una superficie preparada, y describe el acero tal como se suministra. Una cifra Vickers o Knoop describe un volumen menor, y solo es comparable con otra cifra de microindentación tomada a la misma fuerza con el mismo procedimiento de medición. Cuando un valor de microdureza es un criterio de aceptación, para un dado nitrurado o una cuchilla endurecida, la orden debe indicar el método y la fuerza, y cuando se especifica una profundidad de capa, la profundidad a una dureza declarada en lugar de una sola dureza en la superficie.
Antes de cotizar un valor de microdureza
Solo una tabla de referencia, no es una especificación de Aobo Steel. Un número Vickers o Knoop solo es comparable con otro valor de microindentación tomado a la misma fuerza con el mismo procedimiento de medición. Acuerde el método, la fuerza y el recorrido antes de que una cifra de microdureza o una profundidad de capa se convierta en un criterio de aceptación.
Fuente: ASM Handbook, Volumen 8, Mechanical Testing and Evaluation, ASM International, 2000. Artículo Microindentation Hardness Testing de George F. Vander Voort, Buehler Ltd. (PDF p469-494).