Las especificaciones de dureza dominan los planos de tratamiento térmico de forja. Muchos dibujos no incluyen nada más allá de los valores HB o HRC, además de un margen de distorsión permitido. Pero el control de calidad-impulsado por el diseño abarca zonas de tratamiento térmico más profundas-localizadas, los requisitos de profundidad de la carcasa para componentes-de superficie endurecida y la interacción de la dureza del núcleo dan forma a la confiabilidad del componente final. Los objetivos de desempeño determinan cada indicador.
Dureza: la métrica principal con una advertencia crítica
Las pruebas de dureza dominan la verificación de calidad en el taller:-rápida, no destructiva y rentable-efectiva. La correlación entre dureza y resistencia a la tracción lo convierte en un sustituto práctico para la evaluación de propiedades mecánicas cuando no es práctico realizar pruebas de tracción completas. ASTM A909/A909M conecta explícitamente la dureza con los requisitos de límite elástico, resistencia a la tracción, alargamiento y ductilidad en piezas forjadas de acero al carbono microaleadas.
Pero la confianza ciega en los valores de dureza manuales genera fallas en el campo. El análisis del modo de falla debe impulsar los objetivos de dureza.
Una varilla de martillo forjada de 10- toneladas fabricada con 40CrNi o 35CrMo ilustra esto. Las especificaciones iniciales prescribían una dureza baja (241-270 HBW) basada en la supuesta carga dominada por el impacto-. La vida útil de la varilla siguió siendo corta. La investigación del fallo reveló que el mecanismo principal era la fractura por fatiga, no la sobrecarga por impacto. El aumento de la dureza a 38-43 HRC amplió drásticamente la vida útil. Una dureza más baja habría sido más segura para el impacto; una mayor dureza resultó correcta para la fatiga.
Los diseñadores que calculan las distribuciones de tensión, aplican factores de seguridad, convierten los requisitos de resistencia mediante tablas de conversión de dureza estándar y lo consideran terminado-se pierden por completo la conversación sobre el modo de falla. Los troqueles de trabajo en frío-ofrecen la lección inversa. Las prensas de alta-precisión exigen herramientas de alta dureza. Sin embargo, la mala precisión de la máquina combinada con una gran energía de impacto prefiere una dureza ligeramente reducida para evitar que los bordes se astillen o se rompan por completo.
Fuerza-Equilibrio de dureza: la relación complementaria
Los grados de acero exhiben un comportamiento de resistencia y tenacidad mutuamente excluyente. Las piezas forjadas estructurales diseñadas con márgenes de tenacidad excesivos sacrifican la resistencia, impulsando componentes de gran tamaño con una vida de fatiga limitada. Por el contrario, las herramientas y matrices se optimizaron exclusivamente para ofrecer resistencia al desgaste-dureza máxima, tenacidad mínima-fractura prematuramente bajo impacto cíclico.
El equilibrio apropiado surge del análisis documentado de las condiciones del servicio. Los valores de resistencia del material medidos a partir de muestras de prueba estandarizadas rara vez se traducen directamente en los efectos del tamaño, la sensibilidad a las muescas y los estados de tensión residual de la resistencia estructural del componente-y alteran el rendimiento en el mundo real-por márgenes sustanciales. La fuerza del nivel del sistema-que involucra componentes adyacentes que interactúan agrega otra variable.
Los diferenciales de dureza optimizan la vida útil del conjunto. Los rodamientos de elementos rodantes aumentan la vida útil cuando la bola corre 2 HRC más fuerte que la pista de rodadura. Los piñones de accionamiento para automóviles tienen un mejor rendimiento cuando la dureza de la superficie excede la del engranaje de acoplamiento entre 2 y 5 HRC. Por el contrario, un material idéntico con la misma dureza produce a menudo una pobre resistencia al desgaste en contacto por fricción.
Coordinación de núcleo y superficie en componentes endurecidos
Las piezas-endurecidas-carburizadas, carbonitruradas, endurecidas por inducción y nitruradas-exigen objetivos de resistencia del núcleo específicos a una profundidad fija de la carcasa. La fuerza excesiva del núcleo reduce la tensión residual compresiva de la superficie beneficiosa, lo que reduce la resistencia a la fatiga. Una resistencia insuficiente del núcleo mueve el inicio de la fatiga hacia la zona de transición, acelerando la propagación de las grietas.
ISO 18203 estandariza los métodos de medición de la profundidad de la caja en procesos térmicos que incluyen llama, inducción, haz de electrones y endurecimiento por láser, así como tratamientos termoquímicos como carburación, carbonitruración y nitruración. El documento define la profundidad de endurecimiento como la distancia vertical desde la superficie hasta el punto de medición de la dureza que alcanza 550 HV según ISO 6507-1. La profundidad de dureza de nitruración especifica el punto donde la dureza excede los valores centrales en 50 HV.
Las relaciones de endurecimiento óptimas para engranajes cementados se encuentran entre 0,1 y 0,15 de profundidad relativa efectiva de la caja. Muchas especificaciones existentes son mucho más profundas de lo necesario. La reducción de la profundidad de la caja a este rango optimizado mantiene simultáneamente la vida útil a la fatiga y al mismo tiempo ofrece ahorros de energía mensurables.
