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SHOT PEENING     Alejandro Royo de Blas

GRADO EN INGENIERÍA CIVIL. Escuela Politécnica de Mieres. Universidad de Oviedo

INDICE. 1. INTRODUCCIÓN

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2. EFECTO DEL GRANALLADO

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3. MEDICIÓN DEL SHOT PEENING

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4. EQUIPOS UTILIZADOS PARA EFECTUAR SHOT PEENIG

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5. USOS DEL SHOT PEENING

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6. MATERIALES EN EL SHOT PEENING

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7. MATERIALES DE PROYECCIÓN (GRANALLA)

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8. CASOS PRÁCTICOS

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9. CONCLUSIONES

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10. BIBLIOGRAFÍA

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1   INTRODUCCIÓN Es un método de trabajo en frío que consiste en impactos de granalla (granallado) a alta velocidad sobre una superficie. Por granallado se entienden las técnicas de tratamiento superficies por proyección de partículas abrasivas con las que busca limpiar la superficie de una pieza e incluso se puede conseguir un buen acabado superficial. El Shot Peening se basa en este proceso, pero sustituye la granalla común de formas angulares por esferas de acero que al ser lanzadas contra la superficie del material producen esfuerzos de compresión homogéneos en la superficie. Estos esfuerzos permiten aumentar notablemente la resistencia del material a esfuerzos alternativos que provocarían fatiga en el mismo, contrarrestando con esos esfuerzos de compresión los de tracción que romperían la parte superficial de la pieza promoviendo el crecimiento de las grietas. Además, previene contra la corrosión bajo tensión, la fragilización por hidrógeno, la corrosión de contacto (fretting), gripado y erosión por cavitación. Estos fallos serán especificados más adelante. En la siguiente figura se puede ver una resultante de los esfuerzos residuales y uno de tracción aplicados sobre una pieza.

Figura 1. La resultante es la línea continua. Se puede apreciar que el esfuerzo de compresión predomina en la superficie de la pieza.

El Shot Peening ha sido utilizado ampliamente durante años. Aunque los herreros y demás trabajadores manuales del acero comprendieron los beneficios de este proceso 3

de conformado en frío hace cientos de años, las técnicas modernas se han extendido sólo desde los años treinta del siglo pasado.

2   EFECTO DEL GRANALLADO Cuando la granalla esférica es impulsada en un flujo de alta velocidad e impacta sobre una superficie metálica conforma en la misma un perfil superficial constituido por valles y crestas redondeadas, producto de la deformación plástica del metal durante el impacto de las esferas. Dicha deformación se extiende entre los 50 y 250 micrómetros de profundidad.

Figura 2. Consecuencia del impacto de la bola en la superficie de la pieza.

El efecto obtenido tras el proceso produce el aplastamiento de los granos de la superficie del metal. Con ello, se producen dos efectos: •   Los granos se ensanchan comprimiéndose entre sí y provocando la aparición de tensiones de compresión paralelas a la superficie. Estas tensiones anulan tensiones residuales inducidas en procesos anteriores como mecanizado, tratamientos térmicos, conformación plástica, etc. Además, se oponen a toda solicitación a la tracción a que sea sometida en una utilización posterior. •   Como efecto secundario, el ensanchamiento de los granos hace que éstos llenen los espacios intergranulares, reduciéndolos considerablemente, por lo que se reduce la velocidad de corrosión galvánica intergranular. 4

El shot peening aumenta la resistencia a la fatiga particularmente en resortes elásticos, flejes, barras estabilizadoras de coches, engranajes y como efecto secundario produce un aumento de la resistencia a la corrosión, residuales

la eliminación de tensiones

induciendo una tensión de comprensión uniforme en toda la superficie

además de limpiarla mediante el granallado.

3   MEDICIÓN DEL SHOT PEENING Los resultados de un proceso de Shot Peening dependen de varios factores: •   Velocidad de la granalla. •   Tamaño de la granalla •   Dureza de la granalla. •   Ángulo de impacto. •   Cobertura. Todos estos factores no se pueden controlar simultáneamente, y menos determinar la importancia de cada uno de ellos, a fin de comparar los resultados entre una máquina y otra, o para mantener constante el proceso. El procedimiento consiste en mantener constante la mayor cantidad de variables y corrigiendo uno de ellos por vez. Para la comprobación de la constancia de los resultados se emplea un método desarrollado por J. O. Almen

3.1   ENSAYO ALMEN En 1945 John Almen, considerado como el padre de la moderna técnica, patentó un método para medir la intensidad del Shot Peening. Esta técnica, somete una cara de una chapa relativamente delgada al flujo de partículas esféricas, lo que produce, como ya se mencionó, un efecto de martillado sobre la superficie con el consiguiente ensanchamiento por compresión de los granos metalográficos de dicha superficie. Ese ensanchamiento provoca un aumento del área de la superficie granallada quedando la cara opuesta con el área original, produciendo por ese motivo, la curvatura de la chapa que será función de la intensidad del granallado aplicado. Por ello, la intensidad 5

del shot peening se mide en base a la altura del arco experimentado por la lámina granallada en condiciones normalizadas. Suponiendo una densidad máxima de impactos (saturación), la intensidad dependerá de la velocidad, tamaño y dureza de la partícula esférica proyectada y del ángulo y distancia de proyección de la misma. Este ensayo es muy útil, pues entre otras muchas variables determina la cantidad de impactos por unidad de superficie que debe de sufrir una pieza para la correcta aplicación del método así como las magnitudes críticas del proceso para cada material, como por ejemplo la velocidad de la granalla, la inclinación con la que debe golpear y el tamaño y dureza de la misma.

Figura 3. Densidad de impactos.

En la figura 3, en la imagen de la derecha, se ve una superficie que ha sufrido una baja densidad de impactos mientras que en la superficie de la izquierda se ve un reparto correcto y uniforme de los impactos producidos por la granalla. 3.1.1   EQUIPO DE ENSAYO Y MEDICIÓN El ensayo se mide en base a tres rangos de intensidades: N, A y C para cada una de ellas difiere el espesor de la probeta de medición, según sea el rango de intensidad a medir. Por último, el instrumento de medición que consta de un reloj comparador, graduado en milésimas de pulgada (0.025 mm) con una base perpendicular a la barra de medición con cuatro bolillas de apoyo formando un plano en el cual apoyará la probeta a medir. Dicha probeta se curva durante el proceso del shot peening y se mide la altura de la combinación de curvatura longitudinal y transversal sobre la cara no granallada. La medición se indica mediante el número Almen indicado en el comparador y la letra de la probeta correspondiente. Así, 13 A indica que en el ensayo Almen A, la intensidad obtenida es 13. En la práctica se recomiendan los siguientes rangos de utilización. Para efectuar la medición se procede de la siguiente forma:

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1- Exponer la superficie de la probeta al flujo de partículas en las condiciones normales de trabajo. Medir el tiempo de exposición. 2- Sacar la probeta de la base y medir, mediante el comparador Almen la altura de la curvatura (arco), previa puesta a cero del instrumento. 3- Utilizando distintos tiempos de exposición, repetir los puntos 1 y 2 para determinar una curva como la de la figura 4.

Figura 4.

Por encima de cierto tiempo la curva se hace horizontal. 4- El punto ideal de saturación aceptado en la industria es identificado cuando usando el doble de tiempo de exposición el incremento en la altura del arco no supera el 10% (ver figura 5).

Figura 5.

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Figura 6. Ensayo Almen.

La placa Almen y su valor de flecha sirve únicamente como dato de comparación, para verificar la uniformidad o variación del shot-peening entre operaciones y a través del tiempo. Si el arco de la placa es siempre igual quiere decir que el proceso no presenta variaciones. El valor aislado de la flecha de la placa en si no indica ninguna condición; tampoco es aplicable a otra pieza. Únicamente, el ensayo de la pieza da la pauta de la curva necesaria. El soporte con la placa se debe colocar en la zona donde se requiere obtener un aumento de resistencia a la fatiga.

3.2   FACTOR DE COBERTURA Existen varios métodos para medir el factor de cobertura, pero el más utilizado consiste en lo siguiente: •   Realizar en la probeta a granallar un pulido espejo. •   Someter

a

dicha

superficie

el

flujo

de

abrasivo

en

condiciones

predeterminadas. •   Retirar la probeta y proyectar la superficie expuesta en un comparador con 50 diámetros de aumentos.

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•   Sobre dicha proyección y en un papel transparente trazar las marcas producidas por los impactos (bien diferenciadas de las zonas pulidas). Medir la superficie de la zona impactada y encerradas por las marcas circulares. La relación entre esta superficie total, expresado en porcentaje es el factor de cobertura obtenido.

3.3   ACELERACIÓN DE LA GRANALLA En cuanto a la impulsión, para proyectar las bolas contra la pieza de trabajo, se utilizan fundamentalmente dos métodos: •   El empleo de una turbina que impulsa la granalla a alta velocidad mediante una combinación de fuerzas radial y tangencial. Las ventajas del método incluyen la facilidad en el control de la velocidad y la alta capacidad de producción. •   !El uso de aire comprimido en un flujo a alta velocidad como medio de arrastre e impulsión de las partículas. Este método es recomendado cuando se requiere trabajar con bajas producciones o con tratamientos localizados permitiendo desarrollar altas velocidad de impacto de la granalla y dirigir el flujo de esta en forma precisa hacia agujeros o cavidades, curvas de pequeño radio, raíces de dientes de engranajes y piezas de formas intrincadas.

3.4   ÁNGULO Y DISTANCIA DE PROYECCIÓN Es el ángulo formado entre la superficie y la dirección del flujo de partículas (90º en la vertical y disminuye hacia ambos lados). Al reducirse el ángulo de proyección disminuye la intensidad del shot peening. En aquellos casos en los cuales el ángulo (por necesidades prácticas) debe ser inferior a los 90º, para mantener un valor de intensidad deseado debe incrementarse el tamaño de la partícula y/o la velocidad. En cuanto a la distancia, la intensidad disminuye con el aumento de la misma, debiéndose fijar un valor se que mantendrá durante el proceso.

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3.5   PORCENTAJE DE ROTURA DEL ABRASIVO En este caso y debido a la necesidad de que sólo sean las partículas esféricas las que impacten sobre la superficie a tratar, las partículas rotas deben ser extraídas del circuito rápidamente. El porcentaje de abrasivo esférico debe ser inferior al 85% y aún son necesarios mayores porcentajes para mantener las intensidades requeridas.

3.6   RECICLAJE DE LA GRANALLA El reciclaje de la granalla es de vital importancia. Es necesario separar las esferas que no han sufrido deterioro y que por tanto son reutilizables del polvo desprendido durante la operación y las partículas de abrasivo fracturado. Además, se debe contar con sistema automático de reposición continua de abrasivo.

Figura 7. Detalle de cómo una granalla bien reciclada deja una superficie recta y una granalla mal reciclada produce una deformación importante en la superficie de la pieza.

Es importante para la uniformidad del granallado disponer de sistemas de movimiento que permitan a las partes una total exposición frente al flujo de abrasivo. Así, se podrán construir para giros, traslaciones o movimientos combinados de ambos. Otros elementos adicionales son coberturas que se utilizan en aquellos casos donde el tratamiento debe ser selectivo dejando expuesto sólo las zonas a tratar. Para la utilización de la microesferas de vidrio se emplean equipos en medio seco o líquido. Los equipos en medio seco son generalmente del tipo de proyección por succión. Mientras que los de granallado en medio líquido utilizan una bomba de impulsión y de homogeneización. Debido al gran porcentaje de fractura de las microesferas de vidrio es necesario una alta eficiencia en el equipo separador y recuperador de abrasivo. 10

4   EQUIPOS UTILIZADOS PARA EFECTUAR SHOT PEENING Los equipos utilizados para efectuar shot peening son esencialmente similares a los empleados para otras tareas de granallado, con el agregado de una instalación auxiliar que permite realizar el más estricto control de los parámetros de ejecución. Los equipos desarrollados cumplen en un todo con los estrictos parámetros de calidad requeridos. Como elementos destacados podemos citar los siguientes: •   El equipo utiliza un único tamaño de granalla para ambos tipos de intensidades. •   Mediante una simple programación, el equipo, permite realizar tanto simple como doble Shot Peening en un mismo ciclo de operación. •   Control electrónico de rotación de turbina o perfecto ajuste de la intensidad de granallado conforme al tipo de piezas que sea necesario procesar o para el caso de doble shot peening el equipo ajusta en forma automática, durante el ciclo de operación, ambas velocidades de impacto seleccionadas. •   Ajuste automático de caja de control para las distintas intensidades requeridas en el proceso de tal forma que quede centrada la mayor concentración de granalla (hot spot) siempre sobre los engranajes. •   Dispositivo porta piezas que posee control de velocidad de rotación de engranajes, sistema sujetador de piezas y sensores de giro. •   Válvula magnética de control de flujo de abrasivo Magna Valve que permite efectuar: Ø   Una exacta medición y control del caudal de granalla que ingresa a la turbina para asegurar repetición y homogeneidad de proceso Ø   Un ajuste automático del flujo de granalla que ingresa a la turbina conforme sea la velocidad de impacto seleccionada.

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5   USOS DEL SHOT PEENING El fenómeno por el cual los materiales pierden resistencia cuando están sometidos a cargas variables (dinámicas), se denomina, fatiga. Debido a esto, las tensiones máximas admisibles se reducen notablemente. La fractura por fatiga es peligrosa ya que no hay deformación, la superficie de fractura se caracteriza por marcas de playa, que se ven a simple vista, y estrías, que se ven con ayuda del microscopio electrónico. Es posible apreciar una zona de inicio de la grieta, generalmente en la superficie, una propagación y finalmente una zona de rotura frágil.

Figura 8. Rotura por fatiga. Marcas de playa.

Conforme a lo mencionado anteriormente, el objetivo es mejorar la tensión residual de compresión de la capa más cercana a la superficie, porque sabemos que es donde se inician las grietas de fatiga.

5.1   FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA FATIGA •  Diseño. El diseño tiene una gran influencia en la rotura de fatiga. Cualquier discontinuidad geométrica actúa como concentradora de tensiones (comentado anteriormente) y es por donde puede nuclear la grieta de fatiga. Cuanto más aguda es la 12

discontinuidad, más severa es la concentración de tensiones. La probabilidad de rotura por fatiga puede ser reducida evitando estas irregularidades estructurales, o sea, realizando modificaciones en el diseño, eliminando cambios bruscos en el contorno que conduzcan a cantos vivos, por ejemplo, exigiendo superficies redondeadas con radios de curvatura grandes. •  Endurecimiento superficial.

Es una técnica por la cual se aumenta tanto la dureza superficial como la vida a fatiga de los aceros aleados. Esto se lleva a cabo mediante procesos de carburación y nitruración, en los cuales un componente es expuesto a una atmósfera rica en carbono o en nitrógeno a temperaturas elevadas. Una capa superficial rica en carbono o en nitrógeno es introducida por difusión atómica a partir de la fase gaseosa. Esta capa es normalmente de 1mm de profundidad y es más dura que el material del núcleo. La mejora en las propiedades de fatiga proviene del aumento de dureza dentro de la capa, así como de las tensiones residuales de compresión que se originan en el proceso de cementación y nitruración. •  Tratamientos superficiales. En las operaciones de mecanizado, se producen pequeñas rayas y surcos en la superficie de la pieza por acción del corte. Estas marcas limitan la vida a fatiga pues son pequeñas grietas las cuales son mucho más fáciles de aumentar. Mejorando el acabado superficial mediante pulido aumenta la vida a fatiga. Uno de los métodos más efectivos de aumentar el rendimiento es mediante esfuerzos residuales de compresión dentro de una capa delgada superficial. Cualquier tensión externa de tracción es parcialmente contrarrestada y reducida en magnitud por el esfuerzo residual de compresión. El efecto neto es que la probabilidad de nucleación de la grieta, y por tanto de rotura por fatiga se reduce. Este proceso se llama granallado. Partículas pequeñas y duras con diámetros del intervalo de 0,1 a 1,0 mm son proyectadas a altas velocidades sobre la superficie a tratar.

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Figura 9. Bolas con buena calidad para el Shot Peening.

5.2   FATIGA POR FLEXIÓN EN UNA VIGA EN VOLADIZO La superposición de impactos genera una mayor distribución de la alta tensión compresiva interna en la superficie del componente. Esto, reduce notablemente la probabilidad de roturas en el material chorreado, y aumenta considerablemente la dureza de la superficie. Debido a esto, se podría mejorar el comportamiento de ciertos elementos estructurales como el caso de una viga. Estos elementos, sufren fatiga por flexión.

Figura 10. Fatiga por flexión.

La figura anterior representa una viga empotrada cargada a flexión. La flexión de la viga genera un estiramiento de la superficie superior induciendo tensiones de tracción. Cualquier radio o cambio de geometría generaría concentraciones de tensiones. La flexión alterna origina ciclos de carga en tracción-compresión. Este modo de carga a 14

fatiga es el más destructor. Se inician las grietas de fatiga y se propagan durante las fases de tracción del ciclo.

Figura 11. Flexión de la viga.

Mediante la técnica de Shot Peening podríamos conseguir una mejor distribución de tensiones en la superficie de la viga para reducir la fatiga de flexión y evitar así una posible rotura por fatiga. Proyectaríamos bolas a altas velocidades (40-100 m/s) para conseguir un estado superficial bueno. Cualquier tensión externa de tracción es parcialmente contrarrestada y reducida en magnitud por el esfuerzo residual de compresión, produciendo estiramientos en la capa superficial.

Figura 12. Impacto de la bola de Shot Peening.

Al tener lugar este fenómeno originaremos una curva de distribución de tensiones residuales de compresión similar a la de la siguiente ilustración.

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Figura 13. Diagrama de tensiones de la viga en voladizo tras aplicar Shot Peening.

De esta manera, debido a las tensiones residuales de compresión introducidas en la superficie de la viga en voladizo, conseguiríamos evitar o retrasar el avance de la grieta como se puede apreciar en la siguiente figura.

Figura 14. Cierre de grieta.

Figura 15. Estado superficial de la viga en voladizo shot peenizada.

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La cobertura completa de la superficie shot peenizada es esencial para poner en ejecución un Shot Peening de alta calidad. La cobertura es la relación entre la superficie inicial y la superficie cubierta por las huellas del Shot Peening. La cobertura no debe nunca ser inferior a un 100% porque sino las grietas de fatiga pueden desarollarse en una zona sin Shot Peening, aunque sea mínima. En definitiva, los resultados obtenidos en la superficie de una pieza también dependen de las características del tratamiento empleado así como del estado superficial de la zona a tratar y por supuesto, de las condiciones de servicio de la pieza. El Shot Peening, permitirá, desde luego, aumentar la duración de servicio de la pieza, aumentar el nivel de carga en funcionamiento, reducir peso, emplear materiales de elevada resistencia pero de alta sensibilidad a la entalla y en ciertos casos, mejorar la lubrificación del conjunto. Como consecuencia de todas estas posibilidades, el Shot Peening evitará altos costes de reingeniería. En la siguiente ilustración, se puede observar el incremento de la resistencia que tendría una pieza después de aplicar el método de Shot Peening, con lo que en definitiva conseguiríamos un aumento de sus prestaciones.

Figura 16.Resultados obtenidos tras aplicar Shot Peening.

La resistencia a la fatiga se eleva con tensiones internas de compresión y disminuye con tensiones internas de tracción (como hemos ido comentando). Las tensiones internas de compresión se pueden provocar, de hecho, mediante el granallado con

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perdigones (shot

peening), compresión

superficial. En los casos favorables la

resistencia a la fatiga aumenta hasta un 100%.

Figura 17. Curvas S-N según tensiones.

6   MATERIALES EN EL SHOT PEENING Pese a que el shot peening se emplea sobre materiales metálicos, no se obtienen los mismos resultados sobre todos los materiales. A continuación se citan los más destacables con las características más relevantes. Aceros de alta resistencia

A niveles de dureza importantes, los metales pierden resistencia a fatiga por causa de su gran sensibilidad a las entallas y de su fragilidad. Al añadir las tensiones residuales de compresión obtenidas mediante shot peening, la resistencia a fatiga de los metales aumenta en proporción con el aumento de su resistencia/dureza. Además, el comportamiento a fatiga de las piezas con shot peening no se encuentra afectado por las entallas pequeñas, que tienen un efecto muy negativo sobre los aceros con altas características. Normalmente, resistencias por encima de los 140 MPa sin peening son peligrosas debido a la pérdida de resistencia a fatiga, sin embargo, con el peening, los altos niveles de resistencia se pueden emplear para soportar grandes cargas a la vez 18

que se incremente la resistencia a fatiga. Claros ejemplos de esto son los martillos neumáticos o las herramientas de perforación y percusión. La figura 18, representa la resistencia a fatiga en función del límite de rotura en materiales de diferentes características. Como se ve, a 52 HRC, el límite de fatiga de las probetas con shot peening sube a 990 MPa, o sea, el doble del límite de probetas sin shot peening.

Figura 18. Fatiga frente a límite de rotura.

Cementación

La cementación y la carbonitruración son tratamientos térmicos que dejan capas superficiales muy duras, del orden de 55 a 62 HRC. Emplear el shot peening sobre aceros

cementados

produce

notables

mejoras:

las

tensiones

residuales

de

compresión aumentan a 1400 MPa o más, asegurando importantes ganancias a fatiga y la influencia de defectos de la cementación como la oxidación intergranular se ven claramente reducidos. Como ejemplo práctico, un estudio sobre cigüeñales de un motor de combustión interna y 4 cilindros de altas prestaciones, que se rompían demasiado pronto a potencia máxima, demostró que los resultados mejoraban notablemente con cigüeñales cementados más shot peening.

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Decarburación

La decarburación es la reducción de la tasa de carbono en la superficie de un acero durante un tratamiento térmico. Este suceso puede reducir la resistencia a fatiga de los aceros de altas resistencias (1650 MPa y más) en un 70 u 80 % y en menor medida para aceros de menor resistencia (100 MPa), en torno a un 50%. Además, la decarburación no tiene que ver con su profundidad, ya que una profundidad decarburada de 75 micras puede ser tan perjudicial como una de 750. El shot peening restaura casi de manera íntegra la perdida de resistencia a fatiga debida a la decarburación. Como la superficie decarburada no se detecta fácilmente, se puede aplicar shot peening también si se teme una decarburación. Incluso se puede verificar esta decarburación sobre una pieza si se detectan huellas de shot peening anormalmente profundas. La decarburación se suele acompañar de una tasa de austenita residual desconocida. El shot peening reduce esta tasa de austenita residual por plastificación en frío. En la tabla inferior se muestra la reducción de la tasa de austenita residual en un acero cementado.

Ilustración 1. Profundidad de la austenita.

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Sinterización

Las propiedades de materiales sinterizados pueden incrementarse a través del shot peening. La mejora en la resistencia a fatiga se produce también como resultado del aumento de los esfuerzos residuales de compresión. Con los parámetros de peening adecuados, los límites de las aleaciones sinterizadas de acero se incrementan en un 22% y la resistencia a fatiga puede multiplicarse por diez. Así, componentes como engranajes o ejes pueden fabricarse de acero sinterizado con un posterior tratamiento de shot peening. Fundiciones

Recientemente se están demandando fundiciones de grafito esferoidal que puedan resistir cargas de fatiga relativamente altas. La presencia de defectos en la superficie de fundición (porosidades, escorias, capas de grafito), puede reducir considerablemente la resistencia a fatiga de fundiciones perlíticas incluso en un 40 %. El shot peening puede mejorar las propiedades del material cuando existen pequeños defectos en su superficie, mejorando el límite de fatiga de las piezas igualándolo prácticamente a probetas totalmente mecanizadas. Además, el shot peening proporciona al material un aspecto pulido, en contraposición al aspecto poroso habitual en las fundiciones. En el caso de las fundiciones esferoidales austemperizadas, el shot peening permite aumentar hasta en un 75% el límite a fatiga por flexión, llegando casi a igualarse a algunos aceros cementados en determinadas aplicaciones. Aleaciones de aluminio

La resistencia a fatiga de las aleaciones de aluminio comúnmente utilizadas en la industria aeronáutica, pueden mejorarse por medio de la aplicación del shot peening. Recientemente, las aleaciones aluminio-litio (Al-Li) han emergido con fuerza especialmente en aeronáutica. Estas aleaciones incluyen un pequeño porcentaje de litio (del 2 al 3%) que incrementa la durabilidad y baja la densidad. Estas ganancias con significantes a la hora de reducir peso en las aeronaves sin perder propiedades mecánicas. El shot peening proporciona similares resistencias a fatiga a las aleaciones 21

Al-Li que a sus habituales alternativas más resistencia a fatiga. Así, la figura inferior muestra la diferencia entre una aleación con shot peening y otra sin shot peening:

Ilustración 2. Se observa cómo la carga admisible a fatiga aumenta considerablemente.

Titanio

Frente a grandes ciclos de fatiga, la resistencia a fatiga del titanio puede incrementarse en casi un 20 %. Este es el caso de algunas bielas de motores de competición, que mejoran los resultados a fatiga de bielas de acero con un 40 % en la reducción de su masa. La figura inferior muestra la mejora de la carga máxima admisible a fatiga en diferentes casos:

Ilustración 3. Fatiga del titanio.

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Al igual que ocurre para otros materiales, la mejora de la resistencia a fatiga del shot peening aumenta con la cantidad de ciclos, además, no solo se produce una mejora para grandes cantidades de ciclos sino que también incrementa la carga máxima admisible. La aplicación más corriente se encuentra en piezas giratorias de motores aeronáuticos, excepto alabes, donde el shot peening permite soportar grandes cargas a lo largo de elevadas horas de vuelo. Magnesio

Pese a que el magnesio no suele ser empleado en aplicaciones a fatiga, el shot peening puede producir mejoras en su comportamiento a fatiga de un 25 a un 35 %. Esto permite emplear magnesio en aplicaciones que de otro modo resultarían imposibles, consiguiendo además pesos bajos gracias a la baja densidad del magnesio.

7   MATERIALES DE PROYECCIÓN (GRANALLA) Se pueden obtener resultados diferentes en el proceso de shot peening no solo variando parámetros básicos sino, además, variando el material de la granalla proyectada sobre la pieza. En el presente capítulo se recogerán algunos de los materiales de granalla más extendidos: Granalla de alambres redondeado

Es el abrasivo que más aceptación está teniendo actualmente en el mundo debido a que tiene una excelente dureza con muy bajo nivel de rotura lo que implica un relativo bajo consumo de abrasivo (cuanta menos granalla se rompa menos granalla habrá que reponer, con el consecuente ahorro económico que eso supone) y sobre todo manteniendo un nivel de granulometría constante en un porcentaje elevado de partículas. Los tamaños, según sus distintas granulometrías y clasificados según un número característico se encuentran normalizados según SAE en el Standard SAR J441.

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Granalla de acero al carbono o inoxidable

Es el abrasivo ampliamente utilizado, pues mediante el adecuado tratamiento térmico impuesto a las granallas durante el proceso de fabricación combinan un buen valor de dureza con aceptable capacidad de rotura siendo el costo menor al de granalla de alambre. Los tamaños, tamizados según sus distintas granulometrías y clasificados según un número característico se encuentran normalizados según SAE en el Standard SAE J444.

Granalla de fundición de Hierro

Comprende a las granallas de fundición gris, blanca y maleable. Se utiliza en aquellos casos donde se requiere efectuar un trabajo de shot peening de bajo costo inicial. Esto se debe al bajo costo relativo de estas granallas, a pesar de tener una vida útil muy inferior a las de acero debido a su mayor fragilidad. En el caso del shot peening la rotura del abrasivo adquiere una gran importancia ya que es imprescindible que el impacto sobre

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la superficie lo realice una partícula esférica lo que se torna difícil de controlar utilizando un abrasivo con alta velocidad de fractura. En cuanto a las granallas de fundición nodular se utilizan en escala muy limitada pues debido a su baja dureza las intensidades logradas son pobres y además dejan residuos de grafito en las piezas granalladas. Micro esferas de vidrio o cerámicas

Mientras que la granalla de acero se usa para las aplicaciones pesadas, el vidrio se usa para aplicaciones más ligeras y medias. La granalla de vidrio está elaborada en vidrio de sodio. El impacto de la granalla elimina sustancias extrañas de la superficie sin contaminar ni producir cambios dimensionales. El granallado con vidrio produce un acabado claro y satinado. Disponibles en un amplio rango de tamaños, la granalla de vidrio es utilizada para el peening, pulido, acabado y eliminación de residuos superficiales. Se utilizan también para el conformado de chapas delgadas, siendo de valores bajos las intensidades logradas. Ideal para hacer shot peening en chapas de acero inoxidable o materiales que no ferrosos que no puedan ser contaminados con abrasivos de acero al carbono.

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8   CASOS PRÁCTICOS Engranajes

Los engranajes son la aplicación más clara de shot peening así como una de las más habituales. La aplicación de shot peening en engranajes es extensiva a campos muy diversos, desde la industria del automóvil, sector naval, minería, herramientas o pequeños engranajes. Las ruedas dentadas suelen ser sometidas a shot peening tras ser carburizadas, se ha comprobado como la vida de ruedas que simplemente carburizadas duraban alrededor de 2.000.000 de ciclos, tras ser sometidas a shot peening alcanzaban los 30.000.000 de ciclos bajo las mismas cargas. En el caso de ruedas dentadas especialmente duras, se deben emplear mayores durezas de granalla con el objetivo de conseguir mayores tensiones residuales de compresión. Estos resultados se basan en un doble efecto: reducción de la fatiga en la raíz de los dientes y reducción de pitting.

Ilustración 4. Engranaje justo antes de ser sometido al proceso.

Las raíces de los dientes de las ruedas dentadas son zonas de gran fatiga. La figura muestra la zona de mayor concentración de tensiones en un diente, marcada en rojo, donde se puede apreciar la especial concentración en la raíz.

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Ilustración 5. Diente del engranaje.

Esto se debe a que las raíces de los dientes están sometidas a cargas puntuales a lo largo de los flancos debidos al contacto entre los dientes de las dos ruedas, la raíz del diente soporta el paso de cero a carga máxima en el diente. Estas cargas, repetidas de manera cíclica da lugar a fatiga por flexión, lo que, unido a la forma del diente, puede romper el diente por la raíz, provocando desperfectos graves y posibilidad de fallo catastrófico. Las figuras inferiores muestran de manera esquemática la rotura de un diente por la raíz y un caso real:

Ilustración 6. Roturas de diente.

Como ya se ha demostrado, el shot peening, por medio de las tensiones residuales de compresión reduce los efectos causados por la fatiga a flexión, no solamente alargando la vida del engranaje sino que, además, para un mismo tamaño de diente, permitiría aplicar cargas mayores, tal y como demostraron investigaciones de la Universidad de Karlsruhe en Alemania. La siguiente figura muestra la comprobación de un diente en una máquina de fatiga, la cual somete a cargas de flexión cíclicas uno de los dientes:

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Ilustración 7. Comprobación.

La mejora en la resistencia a flexión de los dientes se incrementa al aumentar la intensidad el shot peening, oscilando las mayores entre un 22 y un 40%. El segundo gran problema que aparece en los dientes de las ruedas dentadas es el pitting. El pitting, o fatiga por contacto, es altamente relevante en el diseño de engranajes y otras piezas con contacto de rodadura y/o deslizamiento, hasta tal punto que llega a ser una limitación en la concepción de muchos engranajes. Con todo, hay que destacar que los fallos por pitting no son tan catastróficos como las roturas por flexión del diente. Se inicia como consecuencia de la tensión de contacto de Hertz y la tensión de deslizamiento cerca del diámetro primitivo. Cuando las asperezas superficiales de las caras de los dientes se ponen en contacto, la carga se convierte en una combinación compleja e tensión de Hertz y de tracción. Cuando esto se repite cíclicamente, pueden iniciarse microfisuras. Estas fisuras se propagan lentamente hasta el desconchado y la creación de un pequeño cráter en el flanco del diente. Malas condiciones de lubricación aumentan el riesgo de pitting, debido a que la película de lubricante no es lo suficientemente gruesa como para separar las superficies en contacto y que los contactos no se hagan entre asperezas. Las figuras siguientes muestran el mecanismo de pitting de manera esquemática y sus consecuencias en un caso real:

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Ilustración 8. Casos de pitting.

El shot peening añade otra ventaja en su aplicación, y es que las pequeñas huellas que deja la granalla sirven como pequeños depósitos de lubricante, donde este se acumula, mejorando la lubricación del engranaje. No obstante, a aquellas ruedas dentadas que precisen tolerancias muy pequeñas se les puede aplicar un lapeado o rectificado, ya que estas operaciones apenas reducen un 10% de las tensiones residuales de compresión obtenidas a través del shot peening. Además, esto tiene un efecto doblemente positivo, ya que la eliminación de asperezas producidas en el shot peening da como resultado una distribución de contactos sobre una superficie más grande y uniforme, reduciendo la probabilidad de pitting.

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Ilustración 9. Engranaje tratado.

Las normas ISO dejan entrever que, efectivamente, el shot peening es un método adecuado para mejorar la resistencia a fatiga de los engranajes, si bien la información cuantitativa es pobre. La ISO 6336-3 de 1996, menciona en “cálculo de la capacidad de carga de los engranajes rectos y helicoidales”, apartado 3, que los resultados pueden variar en dientes sometidos a shot peening, pero no proporciona datos. Esta misma norma, en su apartado 5 vuelve a hacer una excepción para los engranajes tratados con shot peening, sin dar datos, y, en el párrafo 6.7, dedicado al shot peening y sus beneficios, da algunas cifras, pero sin detalles que las respalden. Las normativas, en general, son conservadoras. No enfatizan los efectos de tratamientos específicos como el shot peening, principalmente debido a que los efectos son bien conocidos pero no son fáciles de generalizar, pues dependen en gran medida de la manera en que el tratamiento se lleva a cabo. Es difícil cuantificar de forma general los resultados. A pesar de ello, numerosas investigaciones respaldan la aplicación del shot peening y aportan datos. Por ejemplo, en 1982 la NASA probaron dos grupos de engranajes de dentado recto para probar los efectos del shot peening. Los aceros estaban fabricados enacero AISI 9310. Ambos grupos estaban carburizados y tenían 28 dientes con 3,5 pulgadas de paso. En un grupo, las superficies de los dientes se habían sometido a shot peening con una intensidad dentro de los parámetros habituales, lo que incrementó hasta en un 40% las 30

tensiones de compresión residuales. El otro grupo no se sometió a shot peening. La siguiente figura muestra las diferentes tensiones residuales de cada uno de los dos grupos:

Ilustración 10. Tensiones residuales.

Ambos grupos se probaron a la misma temperatura y velocidad de giro, de 10.000 rpm con tensiones de Hertz máximas de 84.000 psi. Los resultados probaron que los engranajes tratados con shot peening tuvieron una vida de 1.6 veces superior frente al pitting, tal como refleja el siguiente gráfico:

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Ilustración 11. Ciclos soportados.

Estas investigaciones se continuaron en 1991. Las nuevas pruebas se realizaron sobre engranajes de dentado recto de acero AISI 9310 carburizados. Un grupo de engranajes se sometieron a shot peening a una intensidad media y el otro grupo a una intensidad alta. Ambos grupos fueron rectificados después del shot peening. Todos los engranajes eran de 28 dientes y paso 3,5 pulgadas. La temperatura fue igual para ambos grupos, con una velocidad de giro de 10.000 rpm y una tensión superficial de Hertz máxima de 248.000 psi. Se comprobó que las ruedas sometidas al peening de mayor intensidad tenían mayores tensiones residuales de compresión en comparación con las de media intensidad a igualdad de profundidad, y que la profundidad afectada por el peening de alta intensidad era mayor que la de media. Como resultado, las ruedas sometidas al peening de mayor intensidad incrementaron su vida frente al pitting en 2,13 veces de media respecto a las ruedas sometidas al shot peening de media intensidad, como muestra la siguiente gráfica:

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Ilustración 12. Aumento de la vida a fatiga.

Como resultado de estas investigaciones, entre otras, además de por el uso contrastado del shot peening a lo largo del tiempo en engranajes, en la actualidad numerosos fabricantes se decantan por el shot peening como procedimiento de garantía para reforzar sus transmisiones, como ocurre por ejemplo con numerosas marcas de la industria del automóvil. Especialmente, el shot peening se emplea comúnmente en aplicaciones donde los esfuerzos sean grandes o las calidades requeridas sean altas, caso de transmisiones de competición o altas prestaciones. La figura inferior es una caja de cambios que emplea Mitsubishi en un automóvil de altas prestaciones, tratada mediante shot peening:

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Bielas

Las bielas son ejemplos perfectos de componentes metálicos que trabajan a fatiga, ya que cada revolución de motor corresponde a un ciclo de cargamento. Las zonas críticas de fallo de la mayoría de las bielas son los radios adyacentes a la cabeza de biela de parte y de otra del cuerpo. La Figura C muestra un análisis de tensiones por elementos finitos, con el máximo de tensiones señalado de color rojo. El método de shot peening más económico es el que se hace sobre las piezas brutas de forja, de fundición, o salidas de metales sinterizados antes de algún mecanizado de agujeros o de caras. Así se puede evitar operaciones de protecciones que aumentarían el coste. Una superficie rugosa en compresión tiene mejores propiedades a fatiga que una superficie lisa de tracción (o sin tensión residual), de manera que la mayoría de las superficies shot peenizadas no necesitan ni preparación, ni operación posterior.

Ilustración 13. Esfuerzos en un biela.

Como ya comentamos anteriormente, el diseño tiene una influencia grande en la rotura de fatiga. Cualquier discontinuidad geométrica actúa como concentradora de tensiones con lo que es importante exigir radios de curvatura grandes.

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9   CONCLUSIONES Al analizar el shot peening nos encontramos ante una técnica utilizada ampliamente a lo largo de la historia si bien tan solo hace aproximadamente 100 años que se conoce con este nombre y se realiza con el proceso actual del “lanzamiento de bolas “. Sin embargo, su aplicación de mejorar la resistencia a fatiga de los materiales, la más conocida, presenta el problema de que los ensayos de fatiga son prácticos, pues no se puede teorizar cuando el material va a fallar. En el caso del acero ha sido ampliamente estudiado y somos capaces de predecir con mayor o menor exactitud cuándo fallará, pero en el caso de aleaciones de aluminio, titanio, cobre y demás metales apenas se sabe nada de sus fallos a fatiga ni de cómo se podrían calcular. Es por esto último que el shot peening no es una técnica excesivamente utilizada ni profundamente estudiada en las universidades, pero es de prever que en el futuro se incremente el interés de la comunidad en ella.

10   BIBLIOGRAFÍA Libros Documentación MIC, “Aplicaciones del Shot Peening”-Copyright © 2010 Metal Improvement Company C.Y.M. Materiales S.A., “Introducción al proceso de Shot Peening” – Copyright © 2006 C.Y.M. Materiales S.A. Documentación MetalSpain “¿Qué es el Shot Peening?”- 2006 MetalSpain

Documentación on-line: Peen Rite Inc. International Conference on Shot Peening 2011 Rösler Oberflächentechnik GmbH. Motion System Design Equipos de Abrasión S.A.

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