Determinación de la intensidad Almen

El procedimiento de determinación de la intensidad Almen consistió en realizar varios procesos de shot peening, sobre placas Almen a diferentes tiempos de exposición. Se ejecutó en base a las especificaciones SAE J442 [50] y SAE J443 [51]. Las placas Almen tipo A, grado 2, (Figura 3.6) fueron previamente medidas para determinar su flecha o curvatura inicial, con un medidor Almen digital, modelo TSP-3, previamente calibrado (Figura 3.7). Seguidamente, se sujetaron al bloque Almen; este último, fue alineado verticalmente con la boquilla de la máquina y fijado a la base de la cabina.

Figura 3.6. Sujeción de probetas Almen al bloque Almen

La intensidad Almen está directamente relacionada con los parámetros presión, caudal, velocidad y diámetro de los proyectiles utilizados. Por ello, se realizaron ensayos para cada proyectil a diferentes presiones y caudal fijo. De este modo, se han obtenido los parámetros necesarios para obtener intensidades Almen de 8, 10, 12, 14, 16, 19 y 21A.

Es frecuente expresar la intensidad Almen en milésimas de pulgada, seguido del tipo de placa Almen utilizada. Es necesario recordar que la intensidad Almen se determina a partir de la curva de saturación, la cual se construye representando las flechas o curvaturas de las placas ensayadas en función del tiempo de exposición al flujo de bolas. De esta manera, el número que refleja la intensidad Almen es el valor de la flecha correspondiente, al punto de saturación. A partir de ahora, cuando se haga referencia a una intensidad Almen de 12 A, se quiere indicar que la intensidad del tratamiento es de 12 milésimas de pulgada, habiendo utilizado placas Almen A para llevar a cabo la medida. Las placas Almen son del tipo A, hechas a partir de un

Figura 3.7. Medidor Almen (Modelo TSP-3)

La construcción de la curva de saturación debe representar fielmente la energía inducida a la placa Almen. Por ello, es necesario corregir la curvatura previa de las probetas Almen para obtener una distribución normal de las medidas [52]. Con objeto de minimizar la variabilidad de las medidas, se utilizaron tres placas Almen para cada tiempo de exposición, tomando como medida de la flecha o curvatura, el promedio de las tres. A partir de todas estas medidas se trazaron las correspondientes curvas de saturación (véase Anexo 3).

Las curvas de saturación han sido ajustadas matemáticamente mediante una ecuación de cuatro parámetros (ecuación 3.1) y para ello se empleó el software Data Fit. La determinación del punto de saturación se realizó numéricamente. El punto de saturación se ha definido a partir de la “Regla del 10%” [51], como el primer punto de la curva tal que, al duplicar el tiempo de exposición, la curvatura de la placa Almen aumenta un 10%. La abscisa de dicho punto es el tiempo de saturación, mientras que la ordenada es la intensidad Almen que define el tratamiento de shot peening. El siguiente sistema no lineal resultante, de dos ecuaciones con dos incógnitas (ecuación 3.1 y 3.2), se resolvió mediante el software Matlab.

ℎ = 𝑎 ∙ (1 − 𝑒−𝑏∙𝑡𝑐_{) + 𝑑 ∙ 𝑡 Ec. 3.1}

1,1 ∙ ℎ = 𝑎 ∙ (1 − 𝑒−𝑏∙(2∙𝑡)𝑐

) + 𝑑 ∙ (2 ∙ 𝑡) Ec. 3.2

Los ensayos se realizaron a la distancia mínima entre boquilla y probeta (240 mm) y a un ángulo de impacto de noventa grados (α=90º). Para obtener diversas intensidades Almen se trabajó, inicialmente, a diversas presiones. Se observó que la red de aire comprimido disponible en el laboratorio de Ciencia de Materiales no podía suministrar más de 4 bares de manera estable durante los tiempos de exposición deseados. En consecuencia, se consideró variar el tamaño de

los proyectiles para incrementar la energía cinética de los mismos y así obtener mayores intensidades Almen. Se utilizaron presiones en un intervalo de 1,5 a 4 bares y proyectiles de acero (CW) de los diferentes diámetros disponibles (0,3 a 0,7 mm)

Como se ha mencionado la energía cinética que adquieren los proyectiles es la variable fundamental del proceso que define a la intensidad Almen. Por este motivo, se determinaron las velocidades de los proyectiles en los diferentes tratamientos. Para ello se utilizó un sensor provisto de una interfaz electrónica que digitaliza los valores de velocidad para un flujo de bolas, calculados a partir del tiempo de recorrido de una esfera o proyectil entre dos puntos fijos. Posteriormente se procedió a calcular los valores de energía cinética asociados a las intensidades Almen, aplicando la ecuación 2.1. Las Intensidades Almen obtenidas bajo las condiciones de trabajo antes descritas, se exponen en el Capítulo 4.

3.2.3.1. Realización de los tratamientos de shot peening

La determinación de las intensidades Almen ha permitido establecer los diversos tratamientos de shot peening a aplicar en el acero F1272. Tras haber evaluado las diversas condiciones y parámetros posibles con los proyectiles disponibles, se decidió realizar tratamientos de shot peening a las intensidades de 8, 10, 12, 14, 16, 19 y 21A sobre el material de estudio (acero F1272).

Las barras de acero F1272 fueron cortadas transversalmente, con un espesor de aproximado de 5 mm. Sobre cada probeta se realizaron procedimientos de desbaste y pulido hasta obtener una superficie especular, tal como se describió en el apartado 3.1.3. De igual manera, a partir de las mismas barras de material se mecanizaron probetas de fatiga rotativa.

Para cada una de las condiciones de intensidad Almen se realizaron ensayos en los cuales se expuso la superficie pulida al flujo de los proyectiles durante poco tiempo (2-5 segundos). Se obtuvieron superficies parcialmente impactadas (bajo grado de cobertura), las cuales se analizaron mediante técnicas de metalografía cuantitativa (utilizando el software Omnimet). De esta manera fue posible determinar la forma y área de cada impacto y el porcentaje total de área impactada, la cual es análoga al grado de cobertura.

antes descritos. Como resultado se obtuvo el tiempo necesario para lograr el 98% de cobertura teórica, el cual por convención refiere experimentalmente al 100% de cobertura o cobertura total. Por ejemplo, la Figura 3.8 representa la curva obtenida de la expresión de Avrami para una intensidad Almen de 8A, a partir de probetas expuestas 2 segundos al flujo de bolas con un grado de cobertura medio de 87%. En ella también se señala el tiempo de exposición necesario para obtener el grado de cobertura total. Finalmente, se realizaron los tratamientos para obtener el 100% de cobertura; las superficies obtenidas fueron analizadas por materialografía cuantitativa (utilizando el software Omnimet) para la verificación del aspecto superficial.

El mismo procedimiento se aplicó a diversas probetas para todas las intensidades Almen evaluadas. Los resultados obtenidos se exponen en el Anexo 4. Se realizaron ensayos a diversos tiempos de exposición con la finalidad de estudiar la influencia del grado de cobertura en los efectos superficiales generados por los procesos de shot peening (acabado superficial, factor concentrador de tensiones, tamaños de huella, etc.). Como resultado se obtuvieron superficies con tratamientos de shot peening a diferentes grados de cobertura; desde valores menores al 100% hasta el 200%. El tiempo necesario para obtener éste último grado de cobertura se refiere a 2 veces el tiempo para obtener cobertura del 100%.

Figura 3.8. Determinación tiempo exposición para cobertura al 100%. Curva de Avrami SP 8A

En el caso de las probetas de fatiga rotativa, se dispuso de un mecanismo rotatorio que permitió someter la periferia de las probetas al flujo de perdigones bajo una velocidad de giro

constante de 1 vuelta/s. Las probetas fueron sometidas al fluyo de proyectiles, en el mecanismo rotatorio, a razón de 3 vueltas (3 segundos). De este modo, se obtuvieron superficies parcialmente impactadas (bajo grado de cobertura) que fueron analizadas aplicando la misma técnica utilizada para las probetas planas, lo cual permitió determinar el grado de cobertura medio obtenido. A partir de estos valores y empleando la ecuación de Avrami, se determinó el número de vueltas necesario para obtener la cobertura experimental del 100% (98% cobertura teórica). En el Anexo 4, se han agrupado los resultados obtenidos.

En los casos en los cuales se aplicaron tratamientos superficiales de mayor energía, se decidió evaluar la influencia de un segundo tratamiento superficial de intensidad Almen menor (tratamientos dobles). Primeramente, se realizaron ensayos de intensidad Almen 21A sobre probetas de fatiga rotativa al 100% de cobertura y posteriormente se realizaron tratamientos de shot peening a 8A y 5A, aplicando en estos segundos tratamientos un grado de cobertura del 200%. El tratamiento de intensidad 5A se realizó empleando bolas de vidrio de diámetro nominal 0,2 mm. Tras la aplicación de intensidad máxima de 21A, en otra serie de ensayos se procedió a eliminar la región superficial más afectada por el tratamiento de shot peening de alta intensidad. Para ello se emplearon técnicas de desbaste mecánico, en el que se utilizó papel abrasivo de grano fino, y en otra serie de probetas se aplicó la técnica de electropulido.

En los siguientes apartados se describen los procedimientos y condiciones utilizados para evaluar los tratamientos de shot peening realizados.

3.3. CARACTERIZACIÓN DE LOS EFECTOS DE LOS PROCESOS DE SHOT