Tecnologías digitales en pruebas de dureza

Sep 26, 2023

Fuente de la imagen: Buehler

La prueba de dureza es una prueba mecánica simple desarrollada para proporcionar una medición cuantitativa de manera rápida y eficiente. Las pruebas de dureza se utilizan en lugar de otras técnicas, como las pruebas de tracción, ya que pueden correlacionarse con la resistencia a la tracción pero requieren mucho menos tiempo y esfuerzo, además de ser comparativamente no destructivas.

Cuando Wilson desarrolló por primera vez la prueba de Rockwell a principios del siglo XX, la velocidad de las pruebas impulsó la rápida adopción de la técnica, respaldando el crecimiento de la fabricación en línea, así como un alto volumen de producción de componentes necesarios para el esfuerzo bélico en ese momento. A lo largo de los años se han desarrollado varios tipos de técnicas de prueba de dureza, siendo los ejemplos más comunes las pruebas de Rockwell, Vickers, Knoop y Brinell. Cada uno tiene sus ventajas y limitaciones únicas, pero cada uno se ha ganado su lugar en el entorno de control de calidad actual debido a la velocidad, precisión y reproducibilidad de las pruebas.

La era digital ya ha creado muchos cambios en las técnicas de prueba de dureza. Las células de carga han sustituido en gran medida a las pesas. Los controles mecánicos ahora suelen ser accionados por motores. La medición visual de sangrías (cuando sea necesario) se ubica, enfoca y mide automáticamente sin interacción humana.

Figura 1: Durómetro Rockwell de principios del siglo XX. Fuente de la imagen: Buehler (Haga clic en la imagen para ampliarla).

La incorporación de la automatización en estas áreas ha impulsado la repetibilidad y reproducibilidad de las marcas de dureza única a nuevos niveles, lo que permite ampliar los límites del diseño y hacer que el control de la calidad de fabricación sea más exacto. Otro aspecto de la era digital ha sido la introducción de la colocación automatizada de sangrías de dureza. Inicialmente, esto fue impulsado por aplicaciones particulares, como el tratamiento térmico superficial de engranajes, donde una combinación de una capa superficial dura y una estructura interior blanda permite que los componentes del engranaje resistan el desgaste, así como altas tensiones y fatiga en servicio. La automatización del movimiento de una muestra de prueba se introdujo con la computarización para evaluar más rápidamente la dureza cambiante y garantizar que se obtenga una profundidad suficiente del caso en el proceso de tratamiento térmico.

Figura 2 – Sangría Vickers con líneas Filar. Fuente de la imagen: Buehler (Haga clic en la imagen para ampliarla).

Figura 3 – Medición de profundidad del caso. Fuente de la imagen: Buehler (Haga clic en la imagen para ampliarla).

Como siempre ha sido cierto, las nuevas tecnologías generan nuevas oportunidades. El control informático moderno de los durómetros ha avanzado mucho más allá de realizar una sola línea de marcas.

Los mejores paquetes de software pueden proporcionar muchas herramientas para resaltar posibles problemas de prueba y/o adaptar los programas de prueba para adaptarse a los diferentes componentes que se prueban. Funciones como la capacidad de encontrar automáticamente los bordes de las piezas de prueba, escanear un área de interés, ajustar patrones de indentación a la ubicación correcta, revisar la ubicación y ajustar sobre la marcha brindan facilidad de uso y versatilidad para adaptarse a los requisitos cambiantes sin un esfuerzo significativo por parte de el operador.

Ahora es posible "escanear" una muestra y crear un collage de sangrías para proporcionar una gran cantidad de detalles sobre la variación de la dureza del material. El mapa de dureza creado literalmente agrega una nueva dimensión a cualquier dato de prueba, proporcionando una evaluación cualitativa rápida del proceso de tratamiento térmico, con datos cuantitativos detallados disponibles si se necesita una inspección más cercana. La Figura 4 muestra el mapeo de dureza de un diente de engranaje, lo que nos permite ver instantáneamente la profundidad de penetración de la dureza y visualizar cualquier problema. Puede que esto no siempre sea necesario en un entorno de control de calidad, pero para el desarrollo, el análisis de fallas, la configuración de un nuevo proceso de fabricación o para un control de calidad con las más altas especificaciones, este tipo de análisis puede ser invaluable. La capacidad de visualizar el mapa de dureza, establecer valores de dureza máximos y mínimos e identificar rápidamente sangrías anómalas hace que estos programas sean muy fáciles de usar. Otras herramientas ayudan a los usuarios a cumplir con las especificaciones ASTM e ISO. Por ejemplo, la superposición del tamaño de sangría virtual permite al usuario evaluar fácilmente el cumplimiento del espacio mínimo de sangría.

Figura 4: Mapeo de dureza en un diente de engranaje (a) 2d y (b) 3d. Fuente de la imagen: Buehler (Haga clic en la imagen para ampliarla).

Figura 5: Ejemplo de colocación de indentaciones de dureza en una soldadura según ISO 9015. Fuente de la imagen: Buehler (haga clic en la imagen para ampliarla).

Además de ofrecer mejoras en nuestra comprensión de aplicaciones tradicionales como ésta, estas nuevas capacidades abren la puerta a áreas de análisis completamente nuevas en una amplia variedad de aplicaciones. Una de esas áreas de aplicación es la unión de tecnologías. Existe una amplia variedad de métodos utilizados para unir materiales, muchos de los cuales pueden usarse en componentes críticos para la calidad. Una de las tecnologías de unión más conocidas y utilizadas es la soldadura. El control de calidad típico implica colocar líneas cortas de muescas en áreas específicas de la soldadura para identificar problemas en el proceso. El tiempo necesario para realizar varias sangrías manualmente puede ser prohibitivo, por lo que la colocación de sangrías se limita a unas pocas líneas en áreas estratégicas.

Figura 6: Mapeo de dureza a través de una soldadura. Fuente de la imagen: Buehler (Haga clic en la imagen para ampliarla).

El software moderno puede ayudar al usuario a realizar y colocar estas sangrías, pero los valores generalmente se revisan como tablas o gráficos con poca capacidad de relacionarse con el componente. Esto puede dejar abierta la posibilidad de pasar por alto un problema. El mapeo automatizado en toda el área de soldadura puede reducir la cantidad de tiempo que un operador necesita para configurar las pruebas. Las sangrías pueden cubrir toda el área de interés, haciendo que la posibilidad de pasar por alto un defecto sea prácticamente nula. Se pueden realizar cientos de indentaciones rápidamente (miles si es necesario) y todas se pueden hacer y medir sin la intervención del operador. Una revisión rápida del mapa codificado por colores puede ayudar al operador a identificar rápidamente áreas para investigar más a fondo.

Todas estas funciones juntas también nos permiten abordar aplicaciones más complejas. Una de esas aplicaciones son los remaches autoperforantes (SPR). Esta técnica permite unir láminas de material con acceso desde un solo lado, lo que tiene algunas ventajas significativas en la eficiencia de fabricación. La técnica funciona deformando el sujetador y los materiales de la lámina de una manera muy precisa, de modo que se bloqueen entre sí. A medida que el material se deforma, la dureza generalmente cambia y puede usarse para caracterizar la unión. La identificación, colocación, sangría, medición y mapeo automatizados del área permiten caracterizar la junta de manera rápida y efectiva.

Figura 7: Remaches autoperforantes. Fuente de la imagen: Buehler (Haga clic en la imagen para ampliarla).

Figura 8: Mapa de dureza a través de un remache autoperforante. Fuente de la imagen: Buehler (Haga clic en la imagen para ampliarla).

Ahora estamos entrando en el mundo de las tres dimensiones en la fabricación. La fabricación aditiva o impresión 3D se está desarrollando en prácticamente todos los campos de la fabricación como técnica de producción del futuro. Debido a la naturaleza del proceso, el control de calidad es también un problema tridimensional. Las propiedades del material pueden cambiar de un área a otra a medida que se construye la pieza, por lo que la caracterización de un área se vuelve mucho más importante. Se ha demostrado que el mapeo de dureza es una herramienta valiosa para analizar muestras fabricadas aditivamente. La Figura 9 muestra el cambio en las propiedades de una de esas piezas, y se puede ver una diferencia visible a medida que se construye la muestra.

Figura 9: Mapa de dureza en un componente fabricado de forma aditiva a lo largo de la dirección de construcción. Fuente de la imagen: Buehler (Haga clic en la imagen para ampliarla).

Los niveles de automatización y funcionalidad de los sistemas de prueba de dureza modernos nos brindan nuevas oportunidades para medir características de muestras que hace solo unos años eran inalcanzables. Las mismas herramientas han mejorado la facilidad de uso, la eficiencia, la precisión y la reproducibilidad, lo que abre la puerta a nuevos niveles de control de calidad.

Doug Ngai es ingeniero de aplicaciones en Buehler, una empresa de ITW. Para obtener más información, llame al (847) 295-6500, envíe un correo electrónico a [email protected] o visite www.buehler.com.