Defectos y discontinuidades en barras de acero forjado
La barra laminada y forjada arrastra imperfecciones del lingote, de la reducción posterior y de cada proceso aplicado después del conformado. Esta página recopila los tipos de defectos que la fuente ilustra en barra laminada, las condiciones del lingote que los originan y las reglas que deciden cuándo una discontinuidad es un defecto y cuándo no.
Una discontinuidad no es automáticamente un defecto
El material fabricado siempre contiene imperfecciones, y la fuente es directa sobre la consecuencia. Una discontinuidad se convierte en defecto cuando interfiere con la función y la vida esperada de la pieza. Hasta entonces es una característica del material que un plano, una norma o un nivel de aceptación acordado deben limitar.
- La distinción importa en ambos sentidos. Una muesca, una costura o una inclusión que se encuentra en una superficie de fractura no es prueba de que haya causado la falla, y una investigación que se detiene en la primera imperfección que encuentra puede dirigir la acción correctiva al lugar equivocado. Lo que una superficie de fractura puede y no puede establecer se expone en la tabla de características de la superficie de fractura.
- Dónde comienza una grieta es en parte predecible a partir del caso de carga, y el origen esperado se desplaza con la geometría. En una barra sin muesca bajo tracción simple, la línea central es el sitio probable. Bajo flexión en tres puntos es el punto de momento flector máximo. Bajo contacto de rodadura se sitúa por debajo de la superficie, donde se desarrolla la tensión máxima. Cuando la fractura comienza en otro lugar, la implicación es que una imperfección geométrica o del material desplazó la tensión máxima local.
- Esas reglas son las que permiten a un comprador o a un taller de herramientas leer una barra entregada y no solo una que falló. Las verificaciones que supera un envío antes de salir se exponen en la página de verificación de calidad.
Los tipos de defectos que se encuentran en la barra laminada
La fuente ilustra diez tipos de defectos en una sección de barra laminada. La lista siguiente es ese conjunto, con lo que es cada uno. Los términos para estos defectos varían entre industrias y ubicaciones, por lo que conviene verificar el nombre de una nota de rechazo contra la forma en la barra.
| Defecto | Qué es |
|---|---|
| Inclusiones | Partículas no metálicas arrastradas desde la fusión y la colada, estiradas en la dirección de trabajo. Señaladas en la fuente como una de las imperfecciones más comunes involucradas en fallas. |
| Laminaciones por salpicaduras | Salpicaduras de metal que se solidificaron en la pared del molde durante la colada y luego fueron laminadas en separaciones planas en el producto. |
| Lascas | Piezas de acero sueltas o desgarradas que fueron laminadas en la superficie. |
| Costras | Metal salpicado contra la pared del molde, oxidado donde se adhirió, y generalmente visible solo después del laminado, como un acabado superficial deficiente. |
| Picaduras y ampollas | Bolsas gaseosas atrapadas en el lingote. Pueden permanecer como defectos superficiales o cercanos a la superficie después del conformado. |
| Cascarilla incrustada | Cascarilla formada durante una operación de calentamiento anterior y luego laminada en la superficie en lugar de ser eliminada. |
| Grietas | Formadas cuando el metal se enfría en el molde, con poco o nada de óxido en sus bordes, y dejan áreas altamente tensionadas en el producto. |
| Costuras | Discontinuidades lineales que se desarrollan a partir de bolsas de gas atrapadas y alargadas o de grietas durante el conformado. Una costura es a menudo la forma visible que adopta un defecto superficial del lingote después del laminado. |
| Pliegues | Metal caliente plegado sobre sí mismo y trabajado en la superficie sin unión, porque hay óxido entre las dos superficies. El resultado es una discontinuidad aguda. |
| Chevron o reventones internos | Desgarros internos, invisibles desde el exterior, lo que los convierte en uno de los defectos más peligrosos de encontrar en una barra terminada. |
Fuente: ASM Handbook, Vol. 11, Failure Analysis and Prevention (ASM International), los diez tipos de defectos en barra laminada mostrados en el artículo Failures Related to Metalworking. La fuente señala que el conjunto no es completo; por ejemplo, no se incluyen los rayones de matriz en producto trabajado en frío.
De dónde provienen los defectos
La mayoría de estas discontinuidades se pueden rastrear hasta la colada y la solidificación del lingote, y el resto hasta la reducción posterior. Las seis familias siguientes son las que la fuente rastrea hasta el lingote original.
| Condición de origen | Qué es | Cómo se detecta |
|---|---|---|
| Segregación química | Los elementos de aleación y las impurezas nunca se distribuyen uniformemente en una pieza fundida. La microsegregación se sitúa en las regiones interdendríticas a lo largo de unos pocos a varios cientos de micrones, y puede eliminarse por homogeneización. La macrosegregación va desde la superficie hasta el centro, empeora con el tamaño de la sección y no es económico eliminarla. El trabajo en caliente rompe la estructura de colada y necesita una cantidad mínima de reducción, pero un lingote mal segregado solo convierte su segregación en bandeado. La Figura 3 de la fuente muestra una línea central rica en carbono en una barra laminada 1041, y la Figura 4 muestra bandas de ferrita y perlita en un acero al carbono simple 1022. | El macroataque muestra el bandeado con claridad en una sección transversal o longitudinal. La estructura bandeada también puede verse en la pieza terminada, y cambia cómo responde el acero al tratamiento térmico y a la carga en la dirección del bandeado. |
| Rechupe del lingote, porosidad y contracción en la línea central | El acero se contrae alrededor del 5 por ciento en volumen al solidificarse, los gases atrapados por el metal que se congela no pueden escapar del todo, y las pequeñas grietas en la pared del molde desgarran el metal al ser extraído. El resultado son rechupes y sopladuras. Que sobrevivan en el producto depende de la relación de reducción y de cuánta sanación aporte la práctica de conversión. | El macroataque y la inspección ultrasónica son los dos métodos que la fuente nombra como los más utilizados para identificar regiones de falta de sanidad. Aquí es donde actúa un nivel de aceptación ultrasónico en una orden de compra. |
| Alto contenido de hidrógeno | El hidrógeno disuelto en el acero líquido sale de solución a medida que el lingote se solidifica y puede dejar grietas internas. En los aceros para herramientas y en algunos grados de medio carbono y baja aleación el resultado son las fisuras por hidrógeno, y la desgasificación al vacío es la forma habitual de reducir el hidrógeno a un nivel que no las produzca. | Las fisuras por hidrógeno se sitúan lejos de la superficie, en el centro de la sección, por lo que se encuentran en una sección macroatacada en lugar de observando la barra. Los mecanismos de fragilización que impulsa el hidrógeno se recopilan en la página de tipos de fragilización del acero. |
| Inclusiones no metálicas | Inevitable en las aleaciones comerciales. Algunas son materia extraña atrapada, como el revestimiento refractario, y otras se forman dentro del metal cuando cambian la temperatura o la composición, por lo que la fusión convencional no puede eliminarlas por completo. | El macroataque da una buena indicación de la limpieza. La picadura que deja una inclusión debe distinguirse de la picadura dejada por una segregación metálica, y el ensayo es una comparación de una probeta recocida con una templada y revenida atacadas de la misma manera. |
| Electrodos no fundidos y repisa | Citado en la fuente entre las imperfecciones que se pueden remontar al lingote, junto con las demás anteriores. | Se aplican las mismas rutas de seccionamiento e inspección. Una sección macroatacada es barata comparada con el costo de encontrarla en una herramienta terminada. |
| Grietas, laminaciones, costuras, picaduras, ampollas y costras | El grupo de superficie y proximidad a la superficie, formado en la pared del molde y durante la primera reducción. Su característica común es que estuvieron abiertos a la atmósfera mientras el metal estaba caliente. | El óxido en el defecto es la evidencia de que estuvo abierto en caliente. Un ataque alcalino de cromato en caliente revela el enriquecimiento de oxígeno que lo prueba. |
Fuente: ASM Handbook, Vol. 11, las imperfecciones de la sección del lingote del mismo artículo.
Inclusiones no metálicas con más detalle
Las inclusiones merecen su propia sección porque son la imperfección más común en el trabajo de fallas y la que un comprador puede influir más directamente en una orden de compra.
- Se reconocen dos categorías. La primera es materia extraña atrapada que se introduce en el metal mientras está fundido o siendo colado, como el revestimiento refractario. La segunda se forma dentro del metal cuando cambian la temperatura o la composición, y se separa en el líquido o al solidificar. En los aceros, los aluminatos y silicatos generalmente se forman antes de la solidificación, mientras que los sulfuros se forman durante ella, con el sulfuro de manganeso asentándose en las regiones interdendríticas y los límites de grano primarios donde se congela el último líquido.
- Una inclusión es un concentrador de tensiones porque es discontinua con el metal circundante y sus propiedades no coinciden. Las inclusiones frágiles que se fracturan y fragmentan durante el conformado son las peores, y la fragmentación es común con ciertas inclusiones refractarias y de escoria cuando la reducción de sección transversal es grande.
- La deformabilidad decide cuánto daño hace una inclusión aguas abajo. El sulfuro de manganeso es muy deformable a la temperatura de trabajo en caliente, por lo que se alarga a lo largo de la dirección de trabajo y hace que el material sea anisótropo, con pérdidas medibles en ductilidad transversal, vida a la fatiga y tenacidad a la fractura. El control de la forma de las inclusiones busca el resultado opuesto, utilizando una modificación de la química como un tratamiento con calcio o tierras raras para que las inclusiones permanezcan globulares en lugar de estirarse. Las inclusiones esféricas son menos concentradoras de tensiones, y la fuente cita datos de fatiga y Charpy que muestran la mejora.
- La naturaleza deletérea de una inclusión depende de su composición, su fracción volumétrica, su forma, su orientación y sus propiedades en relación con la matriz. Una partícula dura bajo carga concentra tensiones localmente en una cantidad que depende de los módulos elásticos, el tamaño, la forma y la orientación, por lo que el mismo contenido de inclusiones puede ser tolerable en una pieza y no en otra.
- Leer la limpieza a partir de un ataque requiere cuidado. Las inclusiones aparecen como picaduras u orificios después del macroataque, y esas picaduras deben separarse de las picaduras dejadas por la segregación metálica o por el propio procedimiento de ataque. La fuente da el ensayo, una probeta recocida y una probeta templada y revenida atacadas de la misma manera. Las picaduras de inclusión se ven similares en ambas. Las picaduras de segregación son más prominentes en la probeta templada.
Defectos superficiales de la reducción
El primer trabajo del lingote o del palanquilla añade sus propios defectos, algunos relacionados con los defectos de colada anteriores y otros producidos por el propio trabajo.
| Defecto | Qué es |
|---|---|
| Pliegues | Defectos lineales por el plegado del metal caliente en la superficie, trabajados hacia adentro pero no unidos porque hay óxido entre las superficies. El resultado es una discontinuidad aguda sin conexión metalúrgica a través de ella. |
| Costuras | Discontinuidades lineales que comienzan como una grieta, como un grupo denso de inclusiones no metálicas o como un traslape profundo. Un orificio superficial en el lingote que se oxida y no puede sanar simplemente se estira durante el laminado hasta convertirse en una costura similar a una grieta. |
| Lascas y cascarilla laminada | Acero suelto y cascarilla trabajados en la superficie durante la reducción. |
| Dedos de ferrita | Grietas superficiales que se soldaron de nuevo pero que aún contienen los óxidos y la descarburación de la grieta. El defecto está cerrado pero sus consecuencias permanecen en el metal. |
| Rebabas y sobrellenados | Protuberancias formadas por una reducción incorrecta durante el trabajo en caliente. |
| Rellenos incompletos | El resultado del trabajo incompleto de la sección durante la reducción. |
| Reventones internos | Desgarros internos donde el metal trabajado es débil, por rechupe, porosidad, segregación o inclusiones, y las tensiones de tracción del trabajo son lo suficientemente altas como para separarlo. Si la segregación ha dejado fases de bajo punto de fusión en el metal, esas fases también pueden causar reventones. Una temperatura excesiva de trabajo en caliente empeora todo el panorama. |
Fuente: ASM Handbook, Vol. 11, defectos superficiales de la reducción preliminar en el mismo artículo. Una temperatura excesiva de trabajo en caliente ayuda a producir reventones y varios de los demás.
- Los reventones y los demás desgarros internos son la razón por la que una forja o una barra pesada recibe una verificación ultrasónica antes de que comience el mecanizado costoso. Los defectos externos son visibles en una superficie preparada, los internos no, y los dos necesitan rutas de inspección diferentes.
- La ventana de temperatura de forja en la que se trabaja un grado se establece en el guía de temperaturas de forja del acero para herramientas, y los defectos que una operación de trabajo en caliente puede añadir por sí misma, incluidos los traslapes y los reventones, son parte de lo que un procedimiento de forja está escrito para evitar.
Defectos añadidos después del conformado
La barra que sale sana del tren de laminación aún puede dañarse por los procesos aplicados después. La fuente enumera las operaciones y los defectos que cada una puede introducir, y la lista se lee como una lista de verificación para una hoja de ruta.
| Proceso | Defectos que puede introducir |
|---|---|
| Galvanoplastia | Fragilización por hidrógeno, corrosión galvánica. |
| el tratamiento térmico | Crecimiento excesivo del grano, quemado de los límites de grano, estructura frágil, carburación, descarburación, grietas de temple. |
| Limpieza electrolítica | Picadura. |
| Endurecimiento superficial, nitruración, carburación, recubrimiento duro anódico | Espesor de capa excesivo, microfisuras, material fragilizado en concentradores de tensiones. |
| Machining | Marcas de herramienta, grietas de rectificado. |
| Soldadura | Defectos del metal de soldadura, agrietamiento inducido por hidrógeno, inclusiones, estructura inadecuada. |
Fuente: ASM Handbook, Vol. 11, defectos que pueden resultar de los procesos posteriores al conformado.
- Dos de las entradas son las que un comprador de acero para herramientas encuentra con mayor frecuencia. El tratamiento térmico puede dejar una piel descarburada o una carburada, y cualquiera de las dos cambia el comportamiento de la herramienta en su superficie. El mecanizado puede dejar marcas de herramienta y grietas de rectificado, ambas actúan como concentradores de tensiones bajo carga.
- La descarburación se compra y se vende como una profundidad, y el sobreespesor de mecanizado estándar en los productos laminados existe en parte para eliminarla. Los sobreespesores por sección están tabulados en la Tabla de sobremedida de mecanizado.
- Los patrones de falla que estos defectos posteriores al conformado producen en servicio, y la forma en que se reconoce cada uno, se analizan caso por caso en la página de análisis de fallas de herramientas y matrices.
Relación de reducción y el centro sano
Los defectos de fundición se cierran o se arrastran según la cantidad de trabajo en caliente que recibe el material. Las secciones grandes que reciben una reducción limitada son donde sobrevive un centro defectuoso, por eso la pregunta se plantea sobre la barra y el palanquilla y no sobre las herramientas terminadas.
Qué escribir en una orden de compra
Grado, condición, tamaño y tolerancia son la parte visible. La condición superficial, la profundidad de descarburación, un nivel de aceptación por ultrasonido y un requisito de certificado son las partes que deciden si una discontinuidad interna es su problema o el de la acería.
Cuando un desprendimiento o un desportillado sigue a un defecto
Los bordes sometidos a impacto fallan de manera diferente a una sobrecarga directa, y algunos desprendimientos comienzan en una grieta que ya estaba en la herramienta. Los mecanismos, coeficientes y límites de dureza se recopilan en la página de desgaste por impacto y desprendimiento.
Cuando el defecto ya estaba antes del servicio
La cascarilla u óxido en una grieta demuestra que la grieta estaba abierta mientras el metal estaba caliente, lo que la data de la acería o de la forja y no de la prensa. Una grieta que se abrió durante el temple tiene su propia firma, expuesta en la página de agrietamiento durante el temple.
Confirmar antes de cotizar
Esta página describe prácticas generales de aceración y conformado como referencia. Los límites de aceptación para una barra entregada provienen de la norma o del plano que rige su propio pedido, y deben acordarse antes de la producción en lugar de discutirse después de la entrega.
Una discontinuidad en una pieza fallada no es por sí misma una causa raíz. Cuando la pregunta es si un defecto causó una falla, la respuesta proviene del análisis de la pieza, su registro de procesamiento y su historial de servicio.
Páginas de referencia relacionadas
guía de tratamiento térmico del acero para herramientas · Acero para herramientas ESR · Métodos de ensayo de dureza · Aceros para trabajo en frío · Aceros para trabajo en caliente · Suministro de acero para herramientas
Fuente: ASM Handbook, Volume 11, Failure Analysis and Prevention (ASM International), artículo Failures Related to Metalworking, las imperfecciones en formas forjadas, imperfecciones del lingote, inclusiones no metálicas, imperfecciones de forja y secciones de defectos posteriores al conformado. Datos de referencia solo para comprensión general. Confirme los criterios de aceptación para su propio pedido contra la norma aplicable. Aobo Steel suministra acero para herramientas en condición recocida.