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ESTUDIO DE LA ROTURA DE UNA HERRAMIENTA DE MECANIZADO. E. Silveira y A. M. Irisarri

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ESTUDIO DE LA ROTURA DE UNA HERRAMIENTA DE MECANIZADO E. Silveira y A. M. Irisarri

PINASMET – Tecnalia. Mikeletegi Pasealekua 2. 20009 DONOSTIA-SAN SEBASTIÁN

airisar@inasmet.es RESUMEN

El presente trabajo aborda el estudio de la fractura en dos mitades de una herramienta de mecanizado. El análisis topa con la dificultad que supone la imposibilidad de destruir la pieza que debe ser conservada en su estado de recepción por motivos legales. Ello ha impedido la extracción de probetas metalográficas. Por ello, el estudio se centró en la observación de las superficies de fractura en el microscopio electrónico de barrido y la identificación mediante espectrometría por dispersión de energía de rayos X de las sustancias presentes. Este examen reveló que el origen se hallaba en una entalla existente en la periferia de la herramienta en la zona de la rosca de la misma. Por otra parte, el hecho de encontrarse cubierta por una sustancia de la misma composición que la aplicada en el tratamiento de pavonado de la pieza indicó que se hallaba ya abierta cuando se llevó a cabo éste. Finalmente, se apreció la morfología intergranular de la fractura, con presencia de pequeños carburos en las juntas de grano que se consideran responsables de la debilidad mostrada por la junta. Analizando los resultados se llega a la conclusión de que el fallo se debió a la presencia de una entalla cuyo origen se debe buscar en el mecanizado de la herramienta previo al pavonado, propagándose intergranularmente debido a la fragilización de las juntas. Esta hipótesis debería verse confirmada, o desmentida, por el estudio metalográfico de las probetas extraídas de las zonas seleccionadas, trabajo que no se ha efectuado aún por las razones antes comentadas.

ABSTRACT

This paper presents the study of the fracture in two pieces of one machining tool. This analysis came up against the impossibility of destroying the sample that must be kept in its as-received condition due to legal requirements. That situation has precluded obtaining metallographic samples. Consequently, the study was centred in observing the fracture surfaces in the scanning electron microscope and identifying the nature of the substances which were present by X-ray energy dispersive spectrometry. This analysis revealed that the failure origin corresponded to a notch sited on the periphery of the tool in its threaded end. Moreover, as the surface of this notch was covered by a substance whose composition was the same than that used for the blueing coating, indicating that it was opened when this treatment was applied. Finally, an intergranular morphology of the fracture was observed and also some small carbides present on these grain boundaries promoting their embrittlement. Analysing these results, a conclusion blaming for the failure to the machining operation previous to the blueing coating was reached. This crack grew along the grain boundaries. This hypothesis was due to be confirmed or denied by the metallographic study carried out on samples obtained from the selected zones of the component, labour precluded for the moment because of the legal requirements.

PALABRAS CLAVE: Análisis no destructivo, fractura intergranular, fractografía.

1. INTRODUCCIÓN

En la investigación de un fallo el analista debe recopilar, examinar y evaluar cuidadosamente todos los datos disponibles, por insignificantes que puedan parecer en ocasiones, para poder determinar los orígenes probables del mismo y la secuencia de sucesos que han conducido a la rotura. El objetivo inmediato es determinar las causas del fallo aunque el realmente importante es el evitar que se produzcan fallos similares en futuras partidas y a él debe ir dirigido el trabajo que se realice. Un principio fundamental en el análisis de fallos es conservar la evidencia de la

muestra en la condición en que se recibió, sea no destruyéndola, sea documentándola mediante la obtención de fotografías de la totalidad de la pieza y de aquellos detalles que se consideran significativos previamente a la realización de los cortes para la extracción de probetas.

En algunas situaciones el análisis del fallo debe quedar restringido a un examen no-destructivo lo que dificulta la identificación de los orígenes del mismo. Éste es el caso analizado en este trabajo en el cual se debía determinar las causas de la rotura de una herramienta de mecanizado, que había fallado en servicio, provocando un

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serio daño a la pieza que se estaba procesando en ese momento. Ante las reclamaciones de tipo legal que pudieran surgir en el caso de que el estudio apuntara al fabricante de la herramienta como responsable del fallo el estudio debía poseer un carácter totalmente no-destructivo, preservando la pieza en la misma condición en que se recibió para este estudio previo. No es preciso señalar que ello imposibilita extraer probetas metalográficas, limitándose el estudio al examen visual y gracias al pequeño tamaño de una de las dos partes en que se fracturó la herramienta a la observación de esta superficie de fractura mediante microscopía electrónica de barrido.

El presente trabajo describe el análisis del fallo de la herramienta de mecanizado, efectuado por medios totalmente no destructivos y presenta las conclusiones provisionales a las que se llegó. Se debe recalcar que no fue necesario proseguir en el estudio ya que se consideró suficientemente concluyente este diagnóstico.

2. TÉCNICA EXPERIMENTAL 2.1. Historial de la pieza

Figura 1. Vista general de las dos mitades en que se fracturó la herramienta.

En primer lugar se recabó información acerca del historial previo de la herramienta objeto del estudio. Desgraciadamente, la información que se dispone sobre el fallo es casi nula, ya que se limita simplemente al hecho de que ha sufrido una rotura brusca, prematura, en dos partes, provocando un grave daño a la pieza que estaba siendo mecanizada en ese momento. La figura 1 ofrece una vista de las dos partes en que se fracturó la herramienta, tal y como se recibió para el análisis. Tampoco se obtuvieron datos acerca de la composición química del acero que se empleó en la fabricación de la herramienta, ni

el proceso seguido en esta labor, aunque dado el uso al cual va destinada parece lógico pensar que se hallará en estado de temple y revenido. 2.2 Examen visual

Ya se ha señalado el carácter no destructivo que debe poseer el estudio por lo que la observación visual de las superficies de fractura que siempre constituye un paso importante adquiere en este caso incluso una mayor trascendencia. La figura 2 presenta una vista de la superficie de fractura de una de las dos partes en que se fracturó la herramienta.

Figura 2. Vista superior de la superficie de fractura de uno de los dos trozos en que se

fracturó la herramienta.

Esta observación, no sólo de la fractura sino de la totalidad de la herramienta, se efectuó tanto a simple vista como acudiendo a la ayuda de un pequeño microscopio estereoscópico para poder detectar las facetas fractográficas más finas. 2.3 Estudio fractográfico.

Hay que recalcar una vez más la limitación que supone el hecho de no poder cortar ninguna de las dos partes en que se fracturó la herramienta. Afortunadamente, el tamaño de una de las dos partes en que se rompió ésta fue suficientemente pequeño para permitir su introducción en la cámara del microscopio electrónico de barrido y efectuar su análisis fractográfico. Por otra parte, el espectrómetro por dispersión de energía de rayos X incorporado a este equipo facilitó la identificación de las sustancias presentes.

3. RESULTADOS

El examen de las superficies de fractura de las dos partes apunta a una rotura de morfología frágil, observación que se halla en consonancia con el hecho de que el fallo se haya producido de forma brusca y prematura. Tanto el examen visual como el más detallado realizado con la

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ayuda del microscopio estereoscópico pusieron de manifiesto la existencia de una acentuada marca, de tonalidad más oscura que el resto de la fractura, situada en el extremo izquierdo de la figura 2, antes mencionada. El aspecto de esta marca apunta a que su origen pudiera hallarse en el mecanizado de la rosca que presenta la herramienta y que se halla situada precisamente en la zona donde se produjo la rotura.

A partir de este origen la grieta ha progresado circunferencialmente hasta provocar la rotura cuando la zona que permanece unida (superior derecha) es insuficiente para poder soportar los esfuerzos aplicados sobre la herramienta. El análisis fractográfico de la parte más pequeña de las dos en que se rompió la pieza realizado en el microscopio electrónico de barrido aporta una serie de datos de gran valor para determinar no sólo el origen del fallo sino también el modo en que progresó el mismo. Tal y como muestra la micrografía de la figura 3, la morfología de la fractura es claramente intergranular. Esto indica que las juntas de grano constituían las zonas más débiles por lo que la fractura progresa a lo largo de las mismas

Figura 3.Micrografía mostrando la morfología intergranular de la fractura.

El examen a mayores aumentos permite detectar la presencia de algunas partículas situadas en las juntas de grano cuyo análisis por dispersión de energía de rayos X identifica como carburos de cromo y, en mucha menor proporción, hierro. En este punto sería de gran interés poder contar con una probeta metalográfica que confirmara la existencia de una retícula de carburos situados en las juntas de grano. Desgraciadamente, no ha sido posible la extracción de esta probeta por el motivo de la necesidad de preservar los dos trozos en el mismo estado en que se recibieron sin poder efectuar ningún corte de las mismas. En un intento de superar esta limitación en el estudio metalográfico se consideró el empleo de

réplicas. Esta metodología posee un carácter no-destructivo por lo que el daño provocado a la pieza se limitaría al ocasionado por el pulido y ligero ataque de la periferia de la misma. Esta posibilidad también quedo descartada ya que la pieza posee un recubrimiento, aparentemente de pavonado, que impide el acceso al material base sin eliminarlo previamente. Resulta evidente que esta acción alteraría el estado de las piezas, por lo que no pudo ser utilizado tampoco este método de estudio metalográfico.

Volviendo al estudio de la superficie de fractura en el microscopio electrónico de barrido se debe señalar que un análisis más profundo de la zona donde se halla la marca de tonalidad oscura, detectada en la observación visual proporciona una valiosa información sobre los orígenes de la fractura. La micrografía de la figura 4 obtenida en el microscopio electrónico de barrido pone de manifiesto que esta zona se halla totalmente cubierta por la capa de una sustancia depositada sobre la misma que exhibe un aspecto cuarteado.

Figura 4. Capa que recubre la zona dónde se situó el origen potencial del fallo.

Figura 5. Espectro de dispersión de energía de rayos X obtenido en la zona oscura.

El análisis por dispersión de energía de rayos X conduce al espectro que se ofrece en la figura 5.

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Se puede comprobar que este espectro presenta los picos de varios elementos destacando los de hierro, oxígeno y carbono, apareciendo también otros de menor altura de cromo y manganeso y unos mínimos de silicio, magnesio y calcio. El posible origen de estos tres elementos se discute posteriormente.

A la vista de este espectro la identificación de la sustancia que recubre la zona oscura como óxido de hierro y, en mucha menor medida, de cromo y manganeso parece lógica. Estos tres elementos entran en la composición del acero por lo que se puede pensar en la oxidación del mismo como origen de dicha capa.

La tonalidad oscura que presenta esta marca es muy similar a la de la periferia de la herramienta, donde se ha aplicado un recubrimiento que, por su aspecto parece corresponder al denominado como pavonado. Este recubrimiento consiste en la aplicación de una capa superficial de óxido abrillantado, de composición principalmente de óxido de hierro, coloración azul oscura, negra o café. No es éste el punto de entrar a detallar la aplicación de este tratamiento pero si señalar que el aspecto que confiere su aplicación resulta muy similar al observado en la periferia de la herramienta Este tratamiento se emplea para mejorar su aspecto y evitar que sufran un ataque corrosivo.

Figura 6. Espectro de dispersión de energía de rayos X de la periferia de la herramienta

Con vistas a comprobar si la similitud entre esta capa de la zona oscura y el recubrimiento de la pieza se limitaba a su aspecto o la naturaleza de ambos era la misma, se procedió al análisis de la periferia de la herramienta. El resultado de este análisis se muestra en la figura 6. Este espectro resulta muy similar al obtenido en la entalla en la que se ha situado el inicio del fallo. Tan sólo señalar la mayor altura de los picos de oxígeno y carbono obtenidos en el análisis de la periferia de la pieza frente a los registrados en el análisis de la capa que cubre la entalla..

La mayor altura del pico de oxígeno se justifica por la aplicación intencionada del tratamiento en esa zona, en tanto que en la entalla ha sido de modo accidental. Una explicación razonable del pico de carbono lo asociaría con el aceite que se ha empleado para la limpieza de la herramienta o a algún lubricante añadido. Los minúsculos picos de sodio, magnesio o calcio pueden tener su origen en la contaminación de la muestra o provenir del medio alcalino empleado para el pavonado. Éste es el origen más plausible de los detectados también en la zona de la entalla que se ha identificado como origen de la rotura de la herramienta. En cualquier caso, se puede llegar a la conclusión de que esta entalla se hallaba ya presente en el momento de aplicar el pavonado. El examen de la zona final de esta entalla oscura revela la presencia de una mayor contaminación y unos claros signos de roces que enmascaran las facetas existentes. Pese a ello aún se detectan algunas que se pueden identificar como aquellas huellas dejadas el dispositivo o herramienta que ha mecanizado la rosca de la que es objeto del presente estudio. La figura 7 exhibe una vista de esta zona.

Figura 7. Zona final de la entalla presente e inicio de la fractura.

Teniendo en cuenta todas estas observaciones resulta lógico considerar que el origen del fallo de la herramienta se encuentra en la realización de un roscado deficiente. Este proceso ha creado un serio daño hasta el punto de provocar la aparición de una entalla que ha sido identificada como el punto de nucleación del fallo. El hecho de que esta entalla se halle cubierta por una capa de composición muy similar a la del pavonado aplicado a la herramienta indica claramente que la entalla se encontraba ya abierta en el instante en que se aplicó este tratamiento, apoyando, por tanto, la hipótesis formulada en el sentido de que el origen del fallo se halla en el mecanizado de la herramienta, previo al tratamiento.

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Una vez identificado el origen del fallo resta por determinar el mecanismo que ha propiciado su propagación. Ya se ha comentado previamente el carácter marcadamente intergranular de esta zona de propagación de la rotura, tal y como muestra la figura 3. El hecho de que la fractura posea esta morfología indica que las juntas de grano constituían las zonas más débiles del material y por ello el fallo progresó a lo largo de ellas. Existen diversos mecanismos de fallo que provocan la aparición de fracturas de este tipo, entre los cuales se pueden citar la corrosión intergranular, los agrietamientos de temple o los debidos a la fragilización del revenido.

Un nuevo examen de dicha superficie permite detectar la presencia de algunas partículas cuya naturaleza es diferente a la de los carburos antes mencionados. El análisis de estas partículas por dispersión de energía de rayos X conduce al resultado que se muestra en la figura 8. Este espectro contiene notables picos de cloro, sodio y oxígeno en este espectro, así como de otros de menor entidad de potasio y azufre. El pico de hierro no pertenece a las partículas sino al acero base situado alrededor de las partículas y que ha sido excitado por el haz de electrones. Este resultado confirma la diferencia existente entre estas partículas y los carburos presentes en las juntas de grano.

Figura 8. Espectro de difractometría de rayos X de la sustancia presente en la superficie de

fractura.

En primer lugar se debe analizar la posibilidad de que estas partículas no hayan intervenido en el proceso de fallo sino que se hayan depositado en la superficie de fractura una vez que ésta se había ya formado.

Contra esta hipótesis se puede plantear algún argumento que impide aceptarla como cierta, tal y como se comenta a continuación, al menos en tanto que no se pueda profundizar en el estudio con el análisis microestructural. En primer lugar es necesario explicar el origen de la sustancia

contaminante. Muy difícilmente se puede buscar en el medio ambiente del taller de mecanizado donde se ha producido el fallo. También podrían provenir en principio de una contaminación con la taladrina u otro fluido de corte. La razón para el empleo de estos fluidos se debe buscar en el deseo de mejorar la operación de mecanizado, elevando la productividad, alargando la vida de la herramienta y facilitando la eliminación de las limaduras, evitando su efecto abrasivo. Este origen resulta muy poco probable puesto que si bien se añaden algunos aditivos a estos fluidos su base está constituida por aceites minerales de composición diferente a la de estas partículas. Más lógico parece pensar en el fluido utilizado en el pavonado de la herramienta puesto que se utilizan con este fin soluciones que contienen nitrato potásico e hidróxido sódico en agua. El hecho de que el origen de las sustancias que se han detectado en la superficie de fractura fuera éste indicaría que han penetrado en el curso del pavonado, es decir que gran parte del daño se hallaría ya presente en el momento en que la herramienta entró en servicio. Esto supone que el daño inicial era más grave que el que supone la simple entalla que ha sido identificada como origen del fallo. En consecuencia se deberían analizar las posibles causas que hubieran podido conducir a un agrietamiento tan profundo. Una posible explicación a la presencia de estas partículas en la superficie de fractura se ofrece a continuación. Los agrietamientos producidos en el tratamiento de temple o, más probablemente, en el posterior revenido, aplicado a temperaturas dentro del margen en que se fragiliza el material, produciría una fractura intergranular. Sin entrar en detalles un incremento de la temperatura de revenido induce un aumento de tenacidad salvo en un rango de temperaturas donde no sólo no se logra ninguna mejora sino el valor registrado es inferior al obtenido a temperaturas más bajas. En el caso de que la secuencia de operaciones hubiera sido la de mecanizado, temple, revenido y pavonado, el agrietamiento, provocado en las operaciones de tratamiento estaría ya presente cuando se aplicó el pavonado de la herramienta, lo que permitiría la entrada de las sustancias del baño de pavonado. Se intentó recabar, sin éxito, una mayor información acerca de fabricación de la herramienta. Pese a ello, y considerando que esta secuencia de operaciones es la más lógica, y que si hubiera sido la real hubiera conducido al resultado observado, la hipótesis que atribuye el avance intergranular del agrietamiento a un incorrecto tratamiento térmico no debe ser, ni mucho menos, rechazada.

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La otra posibilidad a analizar asocia el fallo de la herramienta a la actuación de un mecanismo de corrosión intergranular. Éste también hubiera conducido a una fractura de morfología similar a la observada. Un punto a favor de la acción de un ataque corrosivo intergranular se halla en el hecho de que las juntas de grano, debilitadas por la precipitación de los carburos, constituyen un camino preferencial para que se produzca el ataque. Los fallos por corrosión intergranular en medios cloruros son habituales en los aceros inoxidables austeníticos, sensibilizados por la precipitación de carburos en las juntas de grano y el consiguiente empobrecimiento en cromo de las zonas circundantes. Este empobrecimiento puede ser tan acusado, que pasa a situarse por debajo del porcentaje mínimo requerido para otorgar al acero la adecuada resistencia frente a la corrosión. También algunos otros materiales metálicos presentan una susceptibilidad a sufrir corrosión intergranular en determinados medios. Sin embargo, en aceros al carbono o de baja aleación como es el caso del estudiado el ataque intergranular resulta mucho menos probable y difícilmente se puede pensar que la herramienta ha operado en un medio corrosivo capaz de provocar el ataque. No obstante, la entrada de algunas sustancias del medio de pavonado en la entalla de mecanizado y la aparición posterior de un ataque corrosivo de las mismas no puede ser rechazada totalmente. El disponer de una probeta metalográfica permitiendo observar la microestructura del material y comprobar si la fractura intergranular se encuentra o no asociada con un ataque corrosivo hubiera supuesto una gran ayuda. La necesidad de conservar las dos mitades de la herramienta en el estado en que se recibieron impidió esta labor.

4. CONCLUSIONES

A falta de una mayor información que se pueda obtener una vez se disponga de las probetas metalográficas se pueden adelantar una serie de conclusiones que, por el momento, poseen un carácter provisional si bien algunas de ellas (por ejemplo, la relativa al punto de origen del fallo) se pueden considerar definitivas.

a. La fractura se ha iniciado en una muesca generada en el mecanizado de la rosca de la herramienta, lo que ha inducido la aparición de la entalla que ha constituido el origen del fallo. b. A partir de este origen la fractura

progresó circunferencialmente hasta el momento en que la zona que aún

permanecía unida fue insuficiente para poder soportar los esfuerzos aplicados produciéndose una rotura brusca e inesperada.

c. El hecho de que la mencionada muesca, identificada como inicio de la fractura, se encuentre cubierta por una capa de la misma naturaleza que la formada en el tratamiento aplicado sobre la periferia de la herramienta indica que esta muesca se hallaba ya presente en el momento en que se aplicó dicho tratamiento.

d. La fractura posee una morfología acentuadamente intergranular lo que indica que las juntas de grano eran las zonas más débiles del material. e. Se detecta la presencia de algunos

carburos en la superficie de fractura, situados en las juntas de grano del acero, por lo que se puede considerar que han contribuido a que el fallo se produjera a lo largo de estas juntas. f. El análisis de algunas partículas que

se hallan presente en la superficie de fractura revela la presencia de cloro, sodio, potasio y azufre. Aunque no se puede descartar que hayan podido promover el fallo parece más lógico pensar que se han depositado tras la fractura aunque no se encuentra un origen lógico de las mismas.

g. Existen dos posibles explicaciones al carácter intergranular de la fractura. La primera la atribuye a corrosión intergranular.La segunda la asociaría a un deficiente tratamiento térmico, más en concreto al revenido aplicado a una temperatura dentro del margen en que se produce la fragilización del acero. Esta última hipótesis parece más probable pero sin poder alcanzar una conclusión definitiva sobre este punto.

h. El estudio metalográfico de probetas extraídas de la pieza debe constituir una notable ayuda para confirmar o desmentir las hipótesis formuladas.

Referencias

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