Proyectiles

Los tipos de proyectiles utilizados en los procesos de shot peening pueden ser de diferente naturaleza. En el mercado, existen proyectiles de vidrio, acero, cerámicos, etc. Para el tratamiento de los aceros de construcción se usan normalmente proyectiles de acero endurecidos.

El tipo y calidad de los proyectiles utilizados son de gran importancia en los procesos de shot peening. El tamaño, morfología, dureza, densidad y durabilidad son características que se deben conocer con precisión. Para obtener los resultados deseados, es necesario un programa de control del estado de las bolas [14].

La distribución de tamaños de los proyectiles debe ser lo más uniforme posible. Si se utilizaran proyectiles de distintos tamaños, se generaría una zona a compresión heterogénea. Cada tamaño de bola induciría un nivel de tensiones de compresión que dependería de la energía con la cual impactase contra la superficie. Esto sin contar la modificación superficial, que daría lugar a una rugosidad variable y probablemente a concentradores de tensión. En consecuencia, la vida a fatiga se puede ver afectada de manera desfavorable. Como norma general, se recomienda utilizar el menor tamaño que proporcione los efectos deseados [15].

El máximo trabajo que puede realizar un proyectil viene dado por su energía cinética, cuya expresión es conocida:

𝐸𝑐=1₂∙ 𝑚 ∙ 𝑣2 Ec. 2.1

Donde:

Ec: es la energía cinética del proyectil : la velocidad del proyectil m : la masa del proyectil

Para una determinada velocidad, la energía cinética sólo dependerá de la masa del proyectil. Dado que las partículas empleadas para los tratamientos de shot peening son esféricas, la energía cinética dependerá del diámetro elevado al cubo [16]. La reducción en el tamaño de los proyectiles influirá significativamente en la disminución de su energía cinética.

Por otro lado, en la medida que los proyectiles se utilizan múltiples veces en los procesos de shot peening, la superficie de los mismos se va deteriorando y terminará presentando exfoliaciones (Figura 2.3izda). Esta degeneración de los proyectiles involucra la disminución de su diámetro y cambios en su esfericidad. Como consecuencia de estos efectos, el proceso de shot peening se altera debido a la disminución de la energía cinética de los proyectiles (aun manteniendo el resto de condiciones del proceso) afectando proporcionalmente la obtención de la intensidad deseada [17]. La formación de ángulos vivos, podría deteriorar significativamente la superficie tratada, creando en ella concentradores de tensión, muy negativos desde el punto de vista de su comportamiento ante cargas de fatiga. La caracterización de la morfología de los proyectiles tradicionalmente se realizaba por una distribución de tamaños a partir de un proceso de tamizado. En la actualidad, se emplean técnicas de análisis de imágenes. De esta manera se puede obtener más información estadística sobre la distribución de tamaños, la forma y el estado de los proyectiles [18].

Las partículas utilizadas en procesos de shot peening deben cumplir con ciertas características de morfología, dureza, tenacidad y densidad. Deben ser de forma esférica, con distribución de tamaños normal. Es importante limitar la presencia de proyectiles rotos o con formas angulares. Las aristas y/o filos pueden generar daños significativos en la superficie tratada, de tal modo que un tratamiento mal realizado puede comprometer la vida útil del componente, incluso reducirla con respecto a las condiciones iniciales (material sin tratar) [15].

La selección del proyectil implica un compromiso adecuado entre dureza, tenacidad y resistencia al impacto. Garantizar que la dureza del proyectil sea mayor que la del material a tratar, prolongará la vida útil del proyectil. Otro aspecto como la densidad de las partículas es un valor que se incluye en las especificaciones de los proyectiles. Al igual que el tipo de material, método de obtención y dureza, la densidad es una característica importante debido a que mientras más denso sea el perdigón, más energía inducirá al proceso. Por otra parte, la vida útil de los proyectiles podrá ser mayor, en la medida que su resistencia a la fractura (tenacidad) también lo sea [19].

Figura 2.3. Proyectiles exfoliados y con forma no esferoidal

Resulta necesario introducir el término durabilidad. La durabilidad se puede definir como la capacidad que tiene un determinado tipo de proyectil de mantener su tamaño y su forma durante su uso. Debe ser analizado desde dos puntos de vista [15]:

i) Vida Útil: el número de ciclos de trabajo soportados por los proyectiles antes de deformarse y adaptar una forma inaceptable.

ii) Resistencia a la fractura: cuánto tiempo resiste antes de romperse, originando aristas afiladas, perjudiciales en el tratamiento.

2.2.1.1. Clasificación de los proyectiles

Los proyectiles a utilizar en los tratamientos de shot peening se clasifican en función del material con el que han sido elaborados y el método de fabricación. En el mercado es posible encontrar proyectiles de vidrio, cerámicos y aceros; la nomenclatura utilizada en su designación emplea letras para identificar el material y procesamiento seguido de un número

Los proyectiles fabricados a partir de acero fundido, se denominan mediante la letra S (“sieve”) seguida de un número que indica el diámetro nominal del tamiz, en diezmilésimas de pulgada. En ocasiones se distingue entre las bolas de acero con alto contenido en carbono mediante las letras HC (“High Carbon”) y las de bajo contenido en carbono mediante las letras LC (“Low Carbon”). Los tamaños habituales abarcan desde S70 (0,2 mm de diámetro nominal) hasta S930 (2,4 mm de diámetro nominal).

Cuando las bolas se obtienen a partir de alambre de acero recortado, se identifican con las letras CW (“cut wire”) o SCW (“stainless cut wire”). Acto seguido, se indica el diámetro medio del alambre a partir del cual se obtiene, en milésimas de pulgada. El rango de medidas habitual va desde CW12 (0,30 mm de diámetro nominal) hasta CW62 (1,6 mm diámetro nominal). En la práctica se han establecido relaciones empíricas entre los tamaños de S con los de CW [20]. Las esferas de vidrio se identifican con las letras GB (“Glass Bead”) seguidas de un número que indica, aproximadamente, el diámetro nominal de las esferas de vidrio, en centésimas de milímetro. Sus tamaños habituales van desde GB6 (diámetro medio: 0,075 mm) hasta GB280 (diámetro medio: 3,350 mm) [21].

Por último, los proyectiles obtenidos a partir de partículas cerámicas más comunes son las de óxido de zirconio (ZrO2). Se denominan con la letra Z (“Zirconium”) seguida de un número

que indica su diámetro, en milésimas de milímetro y abarcan un rango comprendido entre Z150 (diámetro medio: 0.210 mm) y Z850 (diámetro medio: 0.850 mm).

Gillespie en su investigación [19], obtuvo una clasificación del comportamiento de los proyectiles con respecto a sus principales propiedades, calificándolas cualitativamente entre A y D, siendo A el mejor comportamiento y D el peor. En la Tabla 2.1 se han recogido los resultados de su investigación. Nótese que el proyectil de acero cortado muestra el mejor comportamiento.

Tabla 2.1. Comportamiento y clasificación de los tipos de proyectiles de uso en procesos de shot peening

Proyectil Tamaño Forma Dureza Densidad Vida útil Tenacidad

Alambre cortado A A A A A A

Acero fundido B D D B B B

Material Cerámico C B C C C C