Límites de dureza y desprendimiento en herramientas de golpeo
Una herramienta de golpeo es la única aplicación de acero para herramientas donde la dureza que hace útil a la herramienta es también la dureza que la hace peligrosa. Pasado cierto punto, la cara de golpeo deja de deformarse y comienza a fracturarse, y la pieza que se desprende de la cara lleva suficiente energía para lesionar a quien sostiene el mango. Esta página cubre la ventana de dureza que las especificaciones publicadas establecen para herramientas de golpeo y herramientas golpeadas, lo que hace la herramienta en cada extremo de esa ventana, cómo se comprueba una herramienta aceptable mediante ensayo, y lo que un desprendimiento grande indica sobre el acero subyacente.
La ventana de dureza es un límite de seguridad, no un límite de desgaste
La dureza máxima permitida para una cara de golpeo según dos de las especificaciones que tabula la fuente es 60 HRC, y la fuente deja claro por qué el número está donde está. La fractura frágil por clivaje tiende a ocurrir a una dureza ligeramente superior a esa, por lo que 60 HRC está muy cerca, quizás demasiado cerca, de exceder el límite de seguridad para una herramienta de golpeo. El límite entre una dureza superior segura y una insegura no es discreto sino transicional, por lo que la misma cifra aparece en varias especificaciones como un juicio compartido más que como un umbral definido.
El límite inferior funciona en sentido contrario. Una cara de golpeo normalmente se mantiene a aproximadamente 50 HRC o más, y donde la herramienta puede usarse para golpear otra herramienta de acero, como una cuña, el límite inferior baja a aproximadamente 45 HRC. Esa cifra se elige por la advertencia que da. A 45 HRC el exponente de endurecimiento por deformación es mayor y la deformación es más extendida, por lo que la herramienta tiende a formar hongo en lugar de romperse, y la cara con hongo indica al usuario que se aproxima un desprendimiento. Una cara demasiado dura para formar hongo es también una cara que no da aviso.
La herramienta golpeada lleva la misma lógica en sentido opuesto. La dureza máxima admisible de una herramienta golpeada es menor que la de la herramienta de golpeo, por lo que la herramienta golpeada absorbe la deformación plástica macroscópica, su área de contacto crece, y la tensión en la herramienta de golpeo se reparte sobre un volumen mayor. Una herramienta golpeada blanda es por lo tanto parte de la protección de la herramienta de golpeo, y el hongo que desarrolla es deliberado.
| Dureza de la cara de golpeo | Qué hace la herramienta bajo un golpe | Qué significa para el usuario |
|---|---|---|
| Por encima del máximo permitido | La fractura frágil por clivaje comienza a una dureza ligeramente superior a la que permiten las especificaciones | La pieza que se desprende de la cara lleva suficiente energía para lesionar, por lo que dos de las especificaciones se detienen en 60 HRC y la fuente llama a esa cifra muy cerca del límite de seguridad |
| En el extremo superior del rango, 55 a 60 HRC | La cara permanece plana y no se deforma antes de romperse | Resistencia al desgaste en su mejor momento y advertencia en su peor momento. Una cara que no puede formar hongo no da señal antes de desprenderse |
| Rango medio, 50 a 55 HRC | La cara se desgasta y se deforma lentamente bajo golpes repetidos | La banda práctica para una cabeza de martillo, una herramienta de percusión y una herramienta de golpeo pesada |
| Aproximadamente 45 a 50 HRC | El exponente de endurecimiento por deformación es mayor y la deformación es más extendida, por lo que la cara forma hongo | El hongo es una advertencia de que el desprendimiento puede ser inminente. Esta es también la banda usada donde la herramienta tiene que golpear otra herramienta de acero, como una cuña |
| Herramienta golpeada, por debajo de la herramienta de golpeo | La herramienta golpeada se deforma primero y su área de contacto crece | El área de contacto mayor reparte la tensión sobre un volumen mayor de la herramienta de golpeo, por lo que una herramienta golpeada blanda es la medida de seguridad y no un compromiso |
La ventana de dureza para una cara de golpeo y lo que hace la herramienta en cada punto de ella. Recopilado de los comentarios sobre especificaciones y la discusión del ensayo de golpeo en el artículo Spalling from Impact Events.
Lo que realmente exigen las especificaciones
Las especificaciones difieren en más que sus rangos de dureza. Difieren en el acero que nombran, en cuál cara de la herramienta controlan, y en el ensayo usado para comprobar la herramienta. Una herramienta de vía de percusión se controla en cuatro lugares, la cara de golpeo, la cara golpeada, el filo de corte y el extremo de punta, con una dureza diferente permitida en cada uno. Un martillo se controla en la cara y de nuevo tres milímetros por debajo de la cara, que es donde una superficie dura sobre un interior blando de otro modo se ocultaría. A un cincel se le permite una cara golpeada de 45 HRC máximo junto con un filo de corte de 53 a 60 HRC, que es la misma idea aplicada a una herramienta que tiene que ser golpeada y cortar.
| Especificación | Tipo de herramienta | Composición del acero | Dureza, HRC | Ensayo de golpeo |
|---|---|---|---|---|
| AREMA | Herramientas de vía de percusión | 9260A, 0.56 a 0.64C, 1.8 a 2.0Si, 0.75 a 1.0Mn. 9260B, 0.51 a 0.60C, 1.8 a 2.2Si, 0.75 a 1.0Mn, 0.35 a 0.50Mo, 0.45Si máx | Cara de golpeo 51 a 55. Cara golpeada 44 a 48. Filo de corte 56 a 60. Extremo de punta 52 a 56 | Ninguno |
| ANSI B173.3-1991 | Herramientas de golpeo pesado | 0.45 a 0.88C, 0.3 a 1.2Mn, 0.35Si máx, según ASTM A576, A322 o A681 | Cara de golpeo 45 a 60. Mazo de leñador 44 a 55. Peña 45 a 60 | Dureza del bloque 92 a 105 HRB |
| BS 876-1981 | Martillos | 0.5 a 0.6C, 0.5 a 0.9Mn, 0.1 a 0.4Si, con 0.2 a 0.3Cr para una masa de cabeza superior a 1.8 kg (4 lb) | Cara de golpeo 50 a 58. Tres mm por debajo de la cara de golpeo 46 | Bloque de acero normalizado, mismo acero que el martillo, seis golpes a la periferia de la cara |
| GGG-H-86C-1963 | Martillos | 0.46 a 0.85C, 0.2 a 0.9Mn, 0.1 a 3Si | Martillo de doble cara 44 a 55. Martillo de carpintero 50 a 60. Martillo de bola 50 a 57 | Mango menor de 60 cm (25 in.), 92 a 105 HRB. Mango mayor de 60 cm, 40 a 45 HRC |
| ANSI B209.3-1990 | Cuñas partidoras de leña | Acero al carbono según ASTM A29, A576 o A681 | 35 máx. | Ensayo de caída de peso, 4,5 kg (10 lb) desde 1,5 m (5 ft) |
| ANSI B209.1-1991 | Cinceles | Acero al carbono o aleado según ASTM A29, A322, A331, A576 o A681 | Cara de golpeo 45 máx. Filo de corte 53 a 60 | Ensayo de caída de peso |
Las seis especificaciones de herramientas de golpeo y de golpeo recibido que tabula la fuente, con la composición del acero que nombra cada una y el rango de dureza que permite. Todas las herramientas ferroviarias de golpeo y de golpeo recibido se fabrican actualmente con el acero grado B, y las herramientas no percusivas como barras de uña, tenazas para rieles y horquillas para rieles se fabrican con acero al carbono simple. Fuente, Tabla 1 del artículo.
Probar una herramienta mediante ensayo
Dos de las especificaciones exigen que la herramienta de golpeo se golpee contra un bloque de acero de 92 a 105 HRB, y una tercera exige un bloque de acero normalizado. Esos niveles de dureza son bajos, y la fuente es directa sobre la consecuencia. Los bloques se deforman significativamente bajo el golpe, y por el mismo argumento usado para la herramienta de golpeo recibido, un yunque blando reparte la tensión y reduce la probabilidad de que la herramienta de golpeo se desprenda. La evidencia citada es que McIntire y Manning no pudieron desprender martillos con una energía de impacto de 190 J (140 ft · lbf) golpeados contra un yunque de 24 HRC. Un ensayo de golpeo con 100 golpes completos de balanceo aplicados contra tal yunque es por lo tanto un ensayo de la durabilidad de la herramienta y no de su tendencia a desprenderse.
Una especificación solía exigir algo más severo, un yunque de 40 a 45 HRC para un martillo con mango mayor de 635 mm (25 in.), y ese requisito ha sido reemplazado desde entonces por la especificación ANSI con su yunque mucho más blando, con ensayo por partículas magnéticas o ultrasónico añadido en su lugar. La otra variable en el ensayo es cómo se aplica el golpe. La especificación pide un golpe aplicado en ángulo recto con la cara de golpeo paralela a la superficie, y pide que se eviten golpes oblicuos, sobrepasados y cortos, porque un golpe que cae sobre un borde pone la carga donde la sección no la soporta.
Cómo se ve un desprendimiento cuando se corta y se abre
Un desprendimiento examinado correctamente lleva más información que el hecho de que la herramienta se rompió. En el martillo de bola que la fuente secciona, el borde de la cavidad aparecía cizallado y un trozo de la superficie de golpeo seguía unido a él, con las marcas de rectificado en la cara terminando en el borde del reborde. La superficie de la cavidad llevaba una película delgada de óxido, que fijó la temperatura mínima alcanzada durante el evento en algún punto del rango de 430 a 540 °C, y la temperatura provino de la deformación plástica del proceso de desprendimiento y no de ningún tratamiento térmico. En sección, una banda de cizalladura adiabática cubría toda la superficie de la cavidad. Esa banda es una capa de ataque claro de martensita sin revenir, y su perfil mostró que dos cizalladuras separadas habían intervenido en la remoción de ese desprendimiento.
El mismo examen aplicado a una cavidad diferente dio la respuesta opuesta. Donde las marcas de rectificado atraviesan el reborde en lugar de terminar en él, el reborde es una indentación y no un borde cizallado, y la cavidad se formó por eyección del desprendimiento seguida de deformación plástica de la cara circundante. Distinguir esos dos casos es el objetivo de seccionar un desprendimiento, y es un paso que a menudo no está disponible, porque las herramientas de golpeo son frecuentemente objeto de litigio y no se permite el ensayo destructivo. Cuando eso ocurre, el propio desprendimiento y las superficies de fractura son la única evidencia, y la pieza que se desprendió vale la pena conservarla exactamente por esa razón.
| Lo que se ve | Lo que significa |
|---|---|
| Un reborde cizallado, con marcas de rectificado en la cara de golpeo que terminan en el borde del reborde | El material dejado por el golpe fue cortado por cizalladura, y el desprendimiento salió como una pieza separada. Trozos de la superficie de golpeo pueden permanecer unidos al reborde |
| Un reborde deformado, con las marcas de rectificado continuando a través del reborde | El reborde es una indentación y no un borde cizallado, por lo que la cavidad se formó por eyección del desprendimiento seguida de deformación plástica de la cara circundante |
| Una película delgada de óxido que oscurece parte de la superficie de la cavidad | Calor de la deformación plástica que produjo el desprendimiento. La temperatura mínima alcanzada está en el rango de 430 a 540 °C (800 a 1000 °F) |
| Una banda de ataque claro que cubre la superficie de la cavidad en una sección pulida y atacada | Una banda de cizalladura adiabática, que es una capa de martensita sin revenir. El perfil de la banda muestra cuántas cizalladuras separadas intervinieron en la remoción del desprendimiento |
| Una grieta previa cuya superficie es brillante dentro de la pieza y oscura donde se encuentra con una superficie libre | Una grieta de temple. La parte de la grieta que nunca intersectó la superficie permaneció sin oxidar, y la parte que sí alcanzó la superficie se oxidó durante el revenido, por lo que las superficies de fractura antigua y nueva difieren en contraste |
| Muchas herramientas de un mismo lote fallando con esencialmente la misma geometría de desprendimiento | Fragilización por revenido, que se confirma revelando los límites de grano fragilizados con un reactivo de ataque como el reactivo de Rucker’s |
Las características que lleva una cavidad de desprendimiento y la lectura que cada una sustenta, a partir de las secciones y los casos prácticos del artículo Spalling from Impact Events.
Lo que dice un desprendimiento grande sobre el acero
El desprendimiento superficial ordinario es un evento de servicio, y uno grande no lo es. La formación de desprendimientos grandes está invariablemente asociada con un material defectuoso, y los dos defectos que nombra la fuente son una grieta previa y un cambio en los límites de grano. Una grieta de temple es el más común de los dos. Cuando una grieta de ese tipo se sitúa enteramente dentro de la herramienta, su superficie nunca ve el horno y permanece brillante, mientras que la parte que posteriormente alcanza una superficie libre se oxida durante el revenido, por lo que las superficies de fractura antigua y nueva difieren en contraste y el límite de la grieta original puede leerse como una forma distinta dentro de la cavidad. Donde la grieta estuvo abierta a la superficie desde el principio, toda la superficie de la grieta está oxidada, y la pieza que se desprendió es entonces mucho más fácil de identificar como un defecto antiguo.
La fragilización por revenido es la segunda causa y se comporta de manera diferente, porque no deja ninguna grieta que encontrar. El caso que da la fuente son tres martillos de desgarre comprados en un solo lote en caja que fallaron de manera muy similar, con esencialmente la misma geometría de desprendimiento en cada uno. La evidencia estaba en los límites de grano y no en el aspecto de la fractura, y se reveló mediante ataque con reactivo de Rucker’s. Un lote de herramientas que falla de manera similar es por lo tanto una señal para examinar el tratamiento térmico del lote y no la forma en que se usó una herramienta en particular, y los tipos de fragilización que pueden producir ese patrón se recopilan en Tipos de fragilización en los aceros.
Qué significa esto en un pedido de acero para herramientas
Un pedido de herramientas de golpeo es uno de los pocos en los que la cifra de dureza y el modo de falla deben decidirse juntos. La ventana de dureza es estrecha, su extremo inferior se elige por la advertencia que da y no por el rendimiento que entrega, y la herramienta de golpeo recibido debe ser más blanda que la herramienta de golpeo para que el par funcione. Vale la pena anotar tres puntos. La dureza de la cara y de la punta tres milímetros por debajo de ella, ya que una capa dura superficial sobre un núcleo blando se comporta de manera diferente a una herramienta templada a fondo. La tenacidad al impacto detrás de esa dureza, porque una cara en el extremo superior del rango necesita la tenacidad para sobrevivir los golpes bajo los cuales no se deformará. Y el lote de tratamiento térmico, porque un lote de herramientas que falla de manera similar apunta al revenido y no al servicio. Los grados tenaces resistentes al choque y su tratamiento térmico están en Tratamiento térmico del acero para herramientas S7 y bajo aceros para herramientas para resistencia al agrietamiento, la energía de impacto que absorben esos grados se registra en Ensayo de impacto Charpy del acero para herramientas, y el lado relacionado de desgaste del mismo impacto está en Desgaste por impacto y desprendimiento de herramientas. La forma en que se clasifica una fractura antes de explicarla está en el diagrama de identificación de modos de daño, las marcas en la propia superficie se leen con Características de la superficie de fractura y su significado, la grieta que estaba allí antes del servicio se describe en agrietamiento por temple en acero para herramientas, y la referencia de qué acero se usa para qué herramienta está en Materiales para herramientas y troqueles por tipo de herramienta. La secuencia de falla más amplia, desde el diseño hasta el servicio, se expone en Análisis de fallas de herramientas y matrices.
Antes de actuar sobre un desprendimiento
Es una página de referencia, no es una especificación de Aobo Steel, y los rangos de dureza anteriores son los valores publicados en las especificaciones nombradas, que aplican a las herramientas que dichas especificaciones cubren. Una herramienta fuera de esas normas, o una herramienta con una cara reparada, no se rige por estos números. No devuelva una herramienta de impacto al servicio con una dureza superior al rango porque se desgastó demasiado rápido, ya que la falla que sigue no es gradual. Cuando una herramienta ya se ha desprendido, conserve la pieza que se desprendió, porque la superficie de fractura en ella puede ser la única evidencia que quede una vez que se descarte el ensayo destructivo.
Fuente: ASM Handbook, Volumen 11, Failure Analysis and Prevention, ASM International, 2002.