Grietas de rectificado y quemado por rectificado en acero para herramientas endurecido
El rectificado es la última operación de mecanizado en la mayoría de las herramientas endurecidas, y también es un tratamiento térmico aplicado a la superficie. Casi toda la energía que entra en una pasada de rectificado se convierte en calor. Con la muela correcta, la mayor parte de ese calor sale con las virutas y la superficie permanece como estaba. Con la muela incorrecta, o con condiciones incorrectas, la superficie supera la temperatura de revenido del acero y se ablanda, y si la temperatura sube más, supera la temperatura de temple y la superficie se retempla. Ambos resultados acortan la vida de la herramienta, y la capa retemplada es donde se originan la mayoría de las grietas de rectificado. Esta página expone qué le hace el rectificado a la superficie de una herramienta endurecida, por qué las grietas son fáciles de pasar por alto, qué grados conllevan el mayor riesgo, y los tres remedios que da la fuente.
Cómo el rectificado cambia la superficie
Casi toda la energía utilizada en el rectificado se convierte en calor, parte por fricción y parte por deformación del material. Si se ha elegido una muela de rectificado correcta, la mayor parte del calor se elimina con las virutas y solo una parte menor calienta la pieza. El rectificado incorrecto de un acero para herramientas endurecido puede elevar la temperatura de la superficie rectificada por encima de la temperatura de revenido del material, y la dureza de la superficie disminuye. La herramienta entonces se comporta mal en servicio aunque el resto esté en buen estado. Si se permite que la temperatura suba más, alcanza la temperatura de temple del acero, y la superficie se retempla.
El retemplado es el más grave de los dos resultados. El acero en la capa afectada se austenizó y luego se templó por la masa fría de la herramienta detrás de él, por lo que la capa termina como una mezcla de martensita sin revenir y martensita revenida junto con austenita retenida. La martensita sin revenir es dura y frágil, y en los grados de alto carbono para trabajo en frío y de alta velocidad es el producto más frágil que el acero puede formar. La capa también lleva microgrietas propias, y esas actúan como concentradores de tensiones en el momento en que la herramienta entra en servicio.
La capa blanca y la zona debajo de ella
Después de la preparación metalográfica y el ataque químico, la capa retemplada se ve blanca bajo el microscopio óptico, porque la martensita sin revenir resiste el reactivo de ataque más que la martensita revenida. La misma apariencia la produce la capa refundida que deja el mecanizado por electroerosión, y los dos son daños diferentes con soluciones diferentes. El perfil de dureza a través de la superficie es lo que los separa, y también muestra por qué la superficie rectificada se comporta mal. La superficie misma es dura, porque es martensita sin revenir. Inmediatamente debajo se encuentra una zona sobrerrevenida, donde el calor del rectificado fue suficiente para revenir más el acero pero no para retemplarlo, y allí la dureza está por debajo de la dureza del cuerpo de la herramienta.
| Capa | Microestructura | Dureza respecto al núcleo | Qué hace en servicio |
|---|---|---|---|
| Capa blanca retemplada | Martensita sin revenir con martensita revenida y austenita retenida | Superior a la del núcleo, alrededor de 65 HRC en los grados de alto carbono | Muy frágil. El origen habitual de una grieta de rectificado. |
| Zona sobrerrevenida | Martensita revenida, revenida más allá del tratamiento especificado | Inferior a la del núcleo | Una banda blanda bajo una piel dura. La herramienta se desgasta a través de ella rápidamente. |
| Núcleo no afectado | La estructura producida por el temple y revenido especificados | La dureza de trabajo especificada | Las propiedades para las que se pidió la herramienta. |
Las tres zonas producidas cuando una herramienta endurecida se rectifica demasiado caliente. La capa blanca y la banda sobrerrevenida debajo de ella a menudo están presentes en la misma herramienta, por lo que una lectura de dureza tomada en la superficie puede parecer aceptable mientras la herramienta falla por la zona debajo de ella.
Por qué se forman las grietas de rectificado y por qué son difíciles de ver
La mayoría de las operaciones de rectificado dejan tensiones residuales en la superficie rectificada, y las tensiones suelen ser máximas cerca de la superficie. El primer efecto y más común de esas tensiones es el agrietamiento. En secciones delgadas, las mismas tensiones pueden deformar la pieza permanentemente, y la austenita retenida en la capa retemplada contribuye al movimiento. Las grietas de rectificado generalmente no son tan obvias como los ejemplos impresos en los libros de texto. En la mayoría de los casos, la pieza debe examinarse bajo un microscopio, o con inspección por partículas magnéticas, antes de que las grietas puedan verse, y una herramienta puede pasar una revisión visual y aún estar agrietada.
La advertencia visible es la marca de quemado. El rectificado incorrecto que ha modificado la capa superficial generalmente se manifiesta como una decoloración de la superficie rectificada. Una marca de quemado significa que la temperatura superficial superó el rango de revenido, y es el punto en el que la herramienta debe examinarse antes de entrar en servicio.
| Señal en la superficie rectificada | Qué indica | Qué hacer |
|---|---|---|
| Decoloración, una marca de quemado | La superficie alcanzó la temperatura de revenido o superior | Inspeccionar antes de usar. Esperar una superficie blanda o una capa retemplada. |
| Una capa blanca bajo el microscopio después del ataque químico | La superficie se retempló a martensita sin revenir | Asumir que hay microgrietas presentes. Eliminar la capa o revenir la pieza. |
| Ninguna marca visible | Ninguna prueba de que la superficie esté sana | La inspección por partículas magnéticas es la comprobación que encuentra las grietas de rectificado. |
Las tres condiciones en que puede estar una superficie rectificada. Una apariencia limpia no exonera la pieza, porque las grietas que terminan la vida de la herramienta generalmente están por debajo de la resolución del ojo desnudo.
Qué grados conllevan más riesgo
Los aceros templables son más propensos a las grietas de rectificado que los aceros de bajo carbono y baja aleación, y dentro de los aceros para herramientas el riesgo se concentra en los grados que son más duros tal como se templan. Los aceros para herramientas de trabajo en frío y los aceros rápidos son los más sensibles de todos, porque la martensita tal como se templa es muy dura y su tenacidad es baja. El contenido de carbono es la propiedad que decide cuán frágil se vuelve la capa retemplada. La dureza de la martensita aumenta rápidamente con el carbono, por lo que los grados de trabajo en frío de alto carbono forman una capa que es a la vez más dura y más frágil que cualquier cosa que pueda producir un acero para herramientas de menor carbono.
Dos fallas en la fuente muestran el patrón. Un troquel de corte S1 se agrietó y desprendió después del rectificado, y en un troquel D2 la grieta fue favorecida por un rectificado incorrecto junto con una fila de agujeros muy próximos entre sí. La misma clase de capa superficial frágil, formada por mecanizado por descarga eléctrica en lugar de por la muela, agrietó un troquel de punzonado A2 en servicio después de haber producido veinte mil piezas.
| Grupo | Carbono típico, % | Riesgo de daño por rectificado | Por qué |
|---|---|---|---|
| Trabajo en frío, grupo D | 1.5 a 2.25 | Alto | Alto carbono con carburos primarios gruesos. La capa retemplada es muy dura y muy frágil. |
| Trabajo en frío, grupos A y O | 0.9 a 1.0 | Alto | Los grados de temple al aire y al aceite trabajan a 60 HRC o más, donde la tenacidad es baja. |
| Rápido, grupos M y T | 0.8 a 1.3 | Alto | La mayor dureza de trabajo de la familia, soportada por un alto contenido de carburos. |
| Trabajo en caliente, grupo H | 0.32 a 0.56 | Moderado | Menor carbono y menor dureza de trabajo, por lo que la capa retemplada es menos frágil. |
| Resistente al impacto, grupo S | 0.45 a 0.55 | Más bajo | El grado está diseñado para la tenacidad, y el menor carbono limita la dureza de la capa. |
Riesgo de daño por rectificado en los grupos de aceros para herramientas. El contenido de carbono se toma de las composiciones típicas indicadas por la fuente, y la sensibilidad que reporta para las familias de trabajo en frío y rápidos establece la banda superior. Los grupos de menor carbono son los que la fuente no señala como sensibles.
Tres formas de reducir el daño por rectificado
La primera es controlar el calor. Una buena refrigeración y muelas rectificadoras correctamente afiladas que cortan el material con bordes de corte agudos, en lugar de frotar y generar calor por fricción, mantienen baja la temperatura de la superficie rectificada. La segunda es el alivio de tensiones después del rectificado. Un tratamiento de revenido a unos 30 °C por debajo de la temperatura de revenido anterior alivia las tensiones de rectificado y también reviene cualquier martensita sin revenir que haya formado el rectificado, y como se mantiene por debajo de la temperatura de revenido original no reduce la dureza de la pieza. La tercera es tamborear o granallar las piezas rectificadas, lo que reduce mecánicamente la tensión superficial.
Las tres tienen un límite. Si el daño térmico es lo suficientemente alto como para que ya se hayan formado grietas, el alivio de tensiones no ayuda, y la capa dañada tiene que eliminarse.
| Remedio | Cómo se aplica | Qué hace | Dónde deja de funcionar |
|---|---|---|---|
| Controlar el calor | Buena refrigeración y muelas correctamente afiladas que cortan en lugar de frotar | Mantiene la superficie por debajo de la temperatura de revenido del acero | No se añade nada una vez que se ha dado la pasada |
| Alivio de tensiones después del rectificado | Revenir a unos 30 °C por debajo de la temperatura de revenido anterior | Alivia la tensión de rectificado y reviene la martensita fresca sin perder dureza | No sana una grieta que ya se ha abierto |
| Tamborear o granallar | Tratamiento mecánico de la superficie rectificada | Reduce la tensión residual en la superficie | No puede llegar a una cavidad o a un taladro |
Los tres remedios indicados por la fuente, con la condición bajo la cual cada uno deja de ser eficaz.
El enlace de vuelta al revenido
Las grietas de rectificado son mucho más probables cuando la herramienta no se revenió correctamente desde el principio. Un estudio de un árbol de levas desgastado en la fuente midió una capa superficial cuya dureza era cercana a la condición de templado, y registra esa condición como nociva porque las superficies trabajadas con esa estructura son más propensas a grietas de rectificado. La superficie de una herramienta que nunca se revenió correctamente ya es frágil antes de que la muela la toque, y las tensiones de rectificado son suficientes para completar el daño.
La regla que se deriva es revenir completamente, y revenir dos veces. Ninguna operación debe realizarse con el acero en condición de templado, y el tiempo a la temperatura de revenido importa tanto como la temperatura misma.
Dónde deja esto una consulta de acero para herramientas
Qué tan difícil es rectificar un grado, y la muela que conviene a cada grupo, está en la página de rectificabilidad del acero para herramientas y selección de muela. La misma capa frágil producida por una chispa se trata en la página de capa blanca de EDM. Las grietas que se abrieron durante el temple en lugar de en la muela están en la página de agrietamiento durante el temple, y el tiempo que una sección necesita para alcanzar la temperatura de revenido está en la página de tiempo de revenido. El método de inspección que encuentra grietas de rectificado está en la página de inspección por partículas magnéticas, y el conjunto más amplio de causas de falla está en la página de análisis de fallas de herramientas y matrices.
Antes de usar estos valores
Esta página es un resumen de referencia de la práctica publicada y no es una especificación de Aobo Steel. El mecanismo y los remedios se reproducen de la fuente, que describe una clase de daño en aceros para herramientas endurecidos. Cuánto de ese daño produce una operación de rectificado particular depende de la muela, la máquina, el refrigerante y el dispositivo frente a él. El juicio final sobre una herramienta agrietada se hace sobre la pieza.
Fuente, Failure Analysis of Heat Treated Steel Components (L. C. F. Canale, R. A. Mesquita y G. E. Totten), ASM International, 2008.