III.-CARACTERISTICAS DE LA CAPA SUPERFICIAL

UNIDAD III.

CARACTERISTICAS DE LA CAPA SUPERFICIAL.


3.1 ASPEREZA SUPERFICIAL Y 3.2 ESFUERZOS RESIDUALES


Los rápidos cambios en cuanto a la precisión y complejidad de los productos mecánicos han creado la necesidad de buscar mejores métodos para determinar, designar y producir la textura de las superficies en las piezas fabricadas.

Aunque las normas se refieren a métodos específicos para medir rugosidades con instrumentos de aguja y transductores electrónicos para el control de calidad de superficies, algunas veces se requieren otras especificaciones descriptivas en cuanto a bandas de luz con interferómetros, longitudes pico a valle por seleccionado óptico, reflectancia de luz con medidores de brillo, etc.

Algunos países industrializados utilizan para sus normas los contadores de puntos altos o la amplitud promedio de las desviaciones de superficie como es el caso de Francia. En estados unidos se usa la cuenta de picos en la industria del acero en lámina, bajo la norma SAE J-911. Debe tomarse siempre en consideración el control de la textura de las superficies para garantizar la calidad del producto y conocer los esfuerzos máximos que se pueden desarrollar sobre las superficies en contacto.

Las superficies producidas por diferentes procesos exhiben diferentes texturas. Debido a esas diferencias es posible la identificación de las superficies rectificadas, pulidas, torneadas, fresadas o amoladas. Como resultado de su carácter único la textura de superficie por cualquier proceso puede compararse fácilmente con otras producidas bajo el mismo proceso verificando al tamaño y forma de sus irregularidades y empleando normas estandarizadas. Así es posible predecir y controlar el rendimiento de la pieza con bastante certeza. Esto es posible con las normas para textura de superficie.





Las variaciones de rugosidad en la textura de una superficie influyen en la capacidad para resistir desgaste y fatiga, además ayudan o impiden la lubricación efectiva. También afectan la resistencia a la corrosión y muchas otras propiedades relacionadas con su resistencia mecánica.

Clay, ha demostrado que la capacidad para soportar cargas de ejes con tratamientos de nitruración, varia de acuerdo al grado de aspereza superficial, todos los ejes trabajando a 1500 rpm en casquillos de bronce plomo, torneados con diamante y acabado de 0.5 mm de rugosidad, esta variación se muestra en la figura a) y además los efectos de valores de aspereza sobre fricción entre una deslizadera plana y un disco también se muestran en la figura b).




Figuras a) y b).



El control de la textura en la superficie debe ser una condición normal de diseño en los siguientes casos:

Para las partes cuya aspereza se debe mantener dentro de los límites controlados para un rendimiento óptimo, por ejemplo las paredes del cilindro de un motor deben tener aproximadamente rugosidades hasta de 0.32 mm y tener un arreglo circunferencia o angular.

Algunas partes como los cojinetes antifriccionantes no pueden hacerse demasiado lisos para su función debido a los costos de producción y es necesario balancear el acabado de acuerdo al uso.

Se tienen superficies que deben ser sumamente lisas por su aplicación, independientemente del costo y son los bloques calibradores, los lentes y sellos de carbón para alta presión.

En ciertos casos los procesos de acabado son los que nos dictan la textura para su lugar de uso, por ejemplo; los casquillos de acero que se hacen sobre una tolerancia para poder ser colocados en sus alojamientos ya que se colocan a presión por diferencia de temperaturas.

Finalmente se tienen piezas donde el acabado tradicional de la maquina-herramienta es suficiente para garantizar su textura de acuerdo al uso y no se necesita hacer gastos innecesarios como es el caso de orificios taladrados, roscados, cortes de cuñeros, ranuras y superficies puramente funcionales.






















NORMAS PARA DESIGNACIÓN


La precisa medición de las irregularidades de una superficie es casi imposible por que las irregularidades son complejas, aunque tanto la forma como longitud de ellas pueden afectar las propiedades del material. Las normas no especifican la textura de la superficie para una aplicación particular ni los medios por lo cuales fue creada la superficie.





Las normas proveen definiciones para delinear calidades dentro de un rango de textura de la superficie utilizando los símbolos y convenciones adecuadas para la designación; la ANSI-B 461 se usa principalmente en Estados Unidos y también en las normas británicas y canadiense. Aunque utilizan términos diferentes se adaptan a la mayoría de las normas ISO internacionales (ISO R 468).

El símbolo básico para designar la textura de la superficie, es la marca de verificación horizontal indicada en la figura siguiente, donde se muestran las posiciones de los posibles datos numéricos a utilizar por medio de letras y la relación aproximada de sus dimensiones.



3X



C


A D
3X

1.5X B
E




60°

X = Tamaño de letra.


El símbolo con el triángulo en la base indica que se debe dejar un sobre espesor para maquinado, si se coloca un pequeño circulo en la base prohíbe el maquinado y por lo tanto la superficie se debe obtener sin remover material como por ejemplo: forjado, acabado en caliente o en frió, fundición a presión, moldeado por sinterizado o por inyección, etc.










De acuerdo a la figura el requerimiento de la textura de superficie puede anotarse en “A”; el sobre espesor de maquinado “B”; el grado máximo de espaciamiento de sinuosidad puede indicarse en “C”; la longitud de muestreo de aspereza (si no se indica es de 0.8 mm) en “D”; y el arreglo o rallado de la superficie en “E”, esta simbología ANSI, provee los lugares para especificar una amplia variedad de características de la superficie, por ejemplo:




El control de aspereza, las irregularidades y el espaciamiento en la textura de la superficie resultan del proceso de fabricación y es el aspecto más importante que toman estas normas porque la aspereza en general tiene un mayor efecto en el rendimiento que ninguna otra calidad de superficie.

El valor índice de altura de aspereza es un número equivalente a la desviación promedio aritmética de las pequeñas irregularidades con respecto a una superficie perfecta y se expresa en mm o min ya sea el sistema inglés o internacional.

El término corte de aspereza es una característica de los instrumentos de medición de punta trazadora y se refiere a la longitud de traza dentro de la cual se debe hallar la aspereza superficial por considerarla como rugosa. Los espaciamientos de la aspereza mayores que el corte de rugosidad se consideran como sinuosidad quiere decir que tiene espaciamientos significativamente largos y son causadas por deformaciones durante el proceso de maquinado o por vibración.

El arreglo se refiere a la dirección del patrón predominante de aspereza en la superficie. Puede indicarse utilizando los símbolos apropiados que nos muestran la dirección del arreglo y son los siguientes.


Los defectos son imperfecciones de las superficies que ocurren solo a intervalos irregulares o infrecuentes. Comúnmente son causados por la no uniformidad del material o por el daño de la superficie después del proceso, como rayas abolladuras o rupturas.

Los defectos no se consideran en la medición de la textura de la superficie ya que las normas no los clasifican. El análisis es exclusivamente asunto de criterio de acuerdo a la calidad o función que desempeñe la pieza.

MEDICIÓN DE RUGOSIDADES.

Existen diferentes instrumentos analizadores a punta trazadora llamados perfilómetros de punta, para verificar superficies y son el medio más efectivo y práctico a nivel industrial para la evaluación de las características geométricas superficiales. La sombra de escantillón óptico y los microscopios de interferencia (interferómetros), proveen los análisis de laboratorio y métodos de comparación. Las normas industriales y referencias de control generalmente manejan rugosidades arriba de las 16min.



Diagrama de un perfilómetro de puntillas.



Puntas de diamante típicas para perfilómetro.



Diagrama de un interferómetro óptico.

Podemos tener un cuadro comparativo en la siguiente tabla para fines de producción y diseño a fin de asegurar la producción apropiada según la textura deseada en la superficie.





El apropiado entendimiento de los procesos de maquinado requieren un conocimiento de varios campos como mecánica, plasticidad, fenómenos superficiales, metalurgia y transferencia de calor. Combinando estos conocimientos se han mejorado las condiciones del maquinado y el equipo.

3.3 TRATAMIENTOS TÉRMICOS Y MECÁNICOS. (SIN ARRANQUE DE VIRUTA)


3.4 CREACIÓN DE LA SUPERFICIE EXTERIOR. (POR ARRANQUE DE VIRUTA).


MECÁNICA BÁSICA PARA CORTE EN METALES.

El maquinado por arranque de viruta presenta características comunes independientemente del tipo de maquinado que se utilice para efectuar el arranque y en términos generales se manejan los siguientes valores para los filos y posición de la herramienta de corte.


El primer valor es el ángulo de inclinación ( a ) y el ángulo de alivio ( r ) que se mueve a lo largo de la superficie de la pieza a una profundidad de 1. el material delante de la herramienta se corta continuamente a lo largo del plano de corte y forma un ángulo con la superficie de la pieza de trabajo (éste ángulo es el de corte) y junto con el espesor de la viga t1 y t2, r = t1 / t2 se llama “relación de corte”.

Las investigaciones han demostrado que el plano de corte no puede ser perfectamente plano y se da en una zona angosta. Se han desarrollado fórmulas que definen el ángulo de corte en función de factores como el ángulo de inclinación y el de fricción.

Independientemente de la operación de maquinado se tienen 4 tipos básicos de virutas que son las siguientes:

a) Virutas continuas. Se forman por deformaciones continuas del material delante de la herramienta seguida de un flujo suave de la viruta sobre la cara de la herramienta. Es característica de los materiales dúctiles.
b) Virutas discontinuas. Consta de segmentos que se producen por fractura del material delante de la herramienta. se forman frecuentemente al maquinar materiales frágiles o materiales dúctiles o a baja velocidad.
c) Virutas no homogénea. Tienen regiones de deformación grande o pequeña, son característicos de los metales con baja conductividad térmica, por ejemplo: Las aleaciones de titanio.
d) virutas de borde compuesto. provienen de una masa de metal que se adhiere a la cara de la herramienta mientras que la propia viruta fluye a lo largo de la cara. Obedece principalmente a la alta fricción y temperatura con un mal acabado de la superficie.

Entre más se respeten los valores asignados para los ángulos y las velocidades de corte para diferentes materiales, mayor será el número de piezas maquinadas antes de efectuar un reafilado.

Se tienen tablas para la maquinabilidad de diferentes materiales aunque siempre son relativas, ya que dependen de las condiciones de operación.

los factores que mayormente influyen en el acabado superficial son:

El contorno de la herramienta de corte que está en contacto con la pieza de trabajo.

Los fragmentos de bordes dejado en la pieza de trabajo durante el corte.

La vibración relativa de la pieza o herramienta durante el corte.

En general se puede decir que se obtienen mejores acabados superficiales aumentando la velocidad de corte y disminuyendo la alimentación o profundidad del corte; La microestructura y la composición química del material tienen gran influencia sobre el acabado de la superficie.

La deformación plástica, los efectos térmicos y las reacciones químicas durante el arranque de viruta alteran las superficies maquinadas y pueden afectar seriamente la integridad de la superficie. Los efectos típicos pueden ser la reducción de la resistencia a la fatiga, distorsión, cambios en las propiedades esfuerzo-corrosión, rupturas y esfuerzos residuales.

A causa de las nuevas tecnologías cada vez es más importante el establecer guías para controlar la integridad superficial, este control aumenta los costos pero se logran beneficios en el uso o acabados posteriores sobre las piezas.


PROCESOS Y EQUIPOS PARA MAQUINAR.

Los tipos generales de Máquinas- Herramientas son los tornos, maquinas para tornillos, mandriladoras, taladros, fresadoras, roscadoras, escariadores, generadoras de engranes, cepillos de mesa, y limadoras, maquinadas para brochar, cortadoras, rectificadoras y pulidoras. Cada una de éstas se subdividen en muchos tipos y tamaños.

Todas la maquinas-herramientas tiene sus versiones en equipo manual y automatizado. la automatización puede comprender desde el manejo procesado, montaje, inspección y empaque o incluir solamente el proceso de arranque de viruta, los sistemas de control numérico son un método común para controlar los componentes de las maquinas y se empezaron a usar desde 1950 pero existen procesos donde resultan antieconómicos y se prefieren los de operación manual.


TORNOS.

Se considera como el miembro más antiguo de la maquinas-herramientas y fue uno de las primeras maquinas impulsadas por el motor de vapor de Watt.

El motor básico se basa en hacer girar un mandril o porta piezas, para que pueda ser rebajada la pieza por la herramienta que presenta sólo desplazamiento sobre un plano.

Sus partes principales son la bancada, en el cabezal fijo, el cabezal móvil y el juego de carros corredizos. Se tienen tornos horizontales, verticales, revolver, automáticos y copiadores como los más comunes; También varían mucho en sus capacidades que se miden en distancia entre centros y diámetros de volteo o simplemente volteo.



Los tornos tienen como operación fundamental la creación de superficies de revolución, particularmente el cilindrado, el careado o refrentado, el roscado y en algunos casos el pulido con piedra o el rechazado.

Los tornos general mente pueden usar velocidades múltiples que van desde 12 hasta 24 distintas y además se puede variar la velocidad de avance de la herramienta por medio de una caja de engranes que puede llegar a tener hasta 60 pasos diferentes.

Las formas de las herramientas tienen su propia nomenclatura y están normalizadas para prácticamente todas las maquinas-herramientas, en el caso del torno con herramienta consta de un mango y una punta que se puede obtener por diversos métodos como el esmerilado o la inserción de pastillas.


MÁQUINAS PARA TONILLOS.

Existen equipos similares a los tornos revolver que se encuentran adaptados para producir roscas, ya sean internas o externas, utilizando machuelos intercambiables o dados de torraja, incluso pueden hacer algunas operaciones de cilindrado y careado, generalmente están provistos de alimentación automática, pero la torre comúnmente se opera de forma manual.


MÁQUINAS PARA FRESAR.

Las maquinas para fresar usan cortadores de muchos dientes en contraste con el torno o cepillo que utilizan una sola punta. El fresado comúnmente es corte de cara o de periferia. el borde del corte se enfría intermitentemente ya que los cortes no son continuos.

Se pueden clasificar las fresadoras en base a su construcción, operación o propósitos. De acuerdo con su construcción pueden ser de escuadra o de columna o también horizontales o verticales. Las fresadoras pueden tener cabezales fijos o deslizantes y se usan para fresado de cara o extremo, están provistas de mesas rotatorias y/o cabezales divisores para poder manejar superficies cilíndricas.


Los cortadores para fresar se fabrican en muchas formas y tamaños de acuerdo a su aplicación, por ejemplo: Cortadores de asiento de cuña, cortadores de ranura T, cortadores de engranes y pueden ser de tipo árbol o tipo mango.

Dentro de las actividades más comunes de las fresadoras, se tiene la fabricación de engranes, catarinas, cuñas y cuñeros.



CEPILLOS DE MESA Y LIMADORAS.

Los cepillos de mesa se emplean para desbastar y acabar grandes superficies planas, aunque pueden hacerse arcos o formas especiales utilizando aditamentos. Las superficies que comúnmente se obtienen por cepillado son las guías de maquinas-herramientas, las colas de milano y cualquier superficie plana relativamente grande.

Los cepillos de mesa, se utilizan para superficies grandes y pesadas donde lo que se desplaza para el corte es únicamente la herramienta, en los cepillos de codo o limadoras, el corte lo da el brazo y el avance lo da la mesa sobre la que se coloca la pieza, en el otro caso la mesa es fija.

La herramienta en estas maquinas se fija en un cabezal que lleva un porta herramientas y va unido a una corredera lo que le da el movimiento de corte.

Las maquinas más grandes pueden tener dos o más cabezales, lo que permite cepillar diferentes superficies al mismo tiempo.

La capacidad del cepillo está marcada por el tamaño de su mesa y la altura máxima que puede desplazarse.

La velocidad de corte puede llegar hasta 126 m/min, con motores hasta de 150 hp, estas capacidades sólo se logran en los cepillos de mesa, aunque los limadores son los más populares para talleres de máquinas-herramientas.





BROCHADO.

Es un proceso en el cual se usa un cortador llamado herramienta de brochar y se utilizan para acabado interno o externo de superficies como agujeros de sección circular, cuadrada o irregular, cuñeros, dientes de engranes internos como agujeros de estrías múltiples. En el brochado la acción de herramienta misma sirve como medio de fijación. Las herramientas de brochado especiales pueden ser muy caras, sin embargo simplifican muchos procesos y ahorran tiempo, la herramienta de brochado sólo puede ser utilizada para el trabajo al que está destinada y por lo regular no son intercambiables.

La herramienta de corte es larga y está provista de muchos dientes, de tal forma que cada uno se lleva una pequeña viruta cuando la herramienta se empuja o se tira de ella a través de un agujero preparado para su paso sobre la superficie a cortar.





MÁQUINAS TALADRADORAS.

Estas maquinas sirven para barrenar agujeros, roscar con machos, avellanar o escariar en general para hacer perforaciones. existe una gran variedad de equipos como son los de mano, los de columna o verticales, los de bancada y los taladros radiales, se designan principalmente de acuerdo al diámetro del orificio más grande que pueden taladrar aunque no es aplicable a todos los casos, por ejemplo; Los radiales se designan por la longitud de su brazo.

La herramienta más usada es la broca helicoidal que se fabrica en muchos tamaños y longitudes, se designan por su medida de diámetro y se dan variaciones entre cada una de 1/64”. Cuando de se hacen por numeración o calibre, estas pueden ser de 1 a 80 que corresponden aproximadamente al calibre Stubbs para alambre a acero. pueden ser de mango recto o con mango cónico y los tamaños máximos comerciales son de 3 ½ de pulgada, se pueden conseguir mayores en fabricación especial.

Una operación adicional en los orificios es el escariado que permite afinar la superficie interna dejada por la broca o en algunos casos hacer agujeros cónicos, esta operación se puede hacer en el taladro o en máquinas similares llamadas escariadoras. La herramienta de escariar generalmente presenta estrías con filo, rectas o ligeramente inclinadas con respecto a su eje longitudinal, también hay escariadores de expansión.





MÁQUINAS RECTIFICADORAS O AMOLADORAS.

estas máquinas se agrupan en tres grandes grupos que son las de desbaste, las de acabado de superficie y las de rectificado de precisión.

Pueden ser de ejes horizontal o vertical y pueden tener alimentación automática o manual.

Las máquinas de desbaste su función es recortar el exceso de material y proveer una superficie uniforme pero rugosa. Las de acabado de superficie rectifican las rugosidades de acuerdo a ciertos granos para una gran cantidad de propósitos y trabajan sobre superficies maquinadas previamente ya sea planas o cilíndricas. Las rectificadoras de precisión siempre tienen una mesa como movimiento alternativo y los avances son automáticos , se utilizan para lograr medidas dentro de tolerancias específicas y acabados superficiales de calidad.




Los diferentes equipos utilizan ruedas de rectificación como herramientas que se especifican de acuerdo a las siguientes características:

Tipo de abrasivo. (óxido de aluminio, carburo de silicio, etc.).

Tamaño de granos. también llamado arenilla (grueso, mediano, fino y muy fino).

El grado. (suave, mediano o duro).

Estructura. (densa o abierta).

Tipo de liga. Corresponde al material utilizado para unir el abrasivo, por ejemplo, silicato, resina, laca, hule, etc.

La estructura de una rueda abrasiva es importante en dos aspectos, suministro un claro para la viruta y determinar el número de puntos de corte en la rueda. Junto con el grado nos determinan el tipo de acabado superficial que quedará en la pieza, ya que si la liga es demasiado fuerte el grano tenderá a desafilarse y si es débil será notorio el desgaste de la rueda.




Un fenómeno que ocurre es el vidriado, lo que significa de la rueda está actuando con demasiada fuerza sobre la pieza, la reducción en la velocidad de la rueda o la disminución en la profundidad de corte harán que la rueda actúen más suavemente. Las ruedas más duras se recomiendan para materiales suaves y viceversa.

La relación de rectificado se define como la razón entre el volumen de material removido, sobre el volumen desgastado de la rueda. Esta relación depende de la característica de la rueda y las velocidades de trabajo y sus recubrimientos van desde 2 hasta 200.

Las velocidades de las ruedas varían también con su aplicación y tipo de máquina, para aplicaciones normales van desde 1400 a 4800 m/min. una tendencia actual es utilizar velocidades mayores entre 3600 y 5500 m/min. ya que se ha encontrado que el proceso resulta más económico y se está tratando de eliminar el orificio central de la rueda para sustituirlo por varios orificios pequeños, lo que incrementa su resistencia.

El superacabado es un proceso de rectificación donde se utilizan piedras de grano muy fino sobre piezas previamente laminadas, se utilizan avances muy pequeños en el corte entre 0.013 y 0.025 mm con muy bajas presiones de hasta 1 lb/in2, la herramienta gira a alta velocidad y alternativamente sobre la superficie, se puede obtener rugosidades de entre 0. 025 mm a 0.015 mm, como ejemplo de esto tenemos los ejes de cigüeñal, los vástagos de válvulas y partes metálicas que funcionan en movimiento contínuo.

otra proceso de abrasión que no utiliza rueda es el soplo de arena, que consta de partículas de cuarzo, arena, glóbulos de hierro u otro material granulado que se sopla con un chorro de aire comprimido o vapor contra la superficie que se desea abrazar, las superficies que se desean conservar se pueden recubrir de un material suave como cera con plomo.


MÁQUINA DE DESCARGA ELÉCTRICA (MDE).

Se basa en el principio de la erosión de metales por descarga de chispas. La chispa es una descarga eléctrica que se da entre dos electrodos que en este caso son la herramienta y la pieza de trabajo la distancia a la que se encuentran estos elementos es crítica y por lo tanto la alimentación se controla con servomecanismos, el fluido dieléctrico también sirve para disipar el calor y arrastrar las partículas producidas por la descarga eléctrica.


La razón de remoción de metal varía entre 0.17 y 410 cm3/hr, en general las altas razones producen superficies más burdas. Los acabado superficiales pueden variar desde 0.025 mm hasta 0.0006 mm.


MAQUINADO QUÍMICO.

En este caso el material es removido por disolución química y electroquímica de superficies expuestas de la pieza de trabajo. El ataque selectivo en diferentes áreas está controlado por ocultamiento o por inmersión parcial.

Se pueden distinguir dos procesos denominados fresado químico y recortado químico.

Con el fresado se producen cavidades de poca profundidad ya sea para reducir el peso, para hacer láminas o extrusiones cónicas, el ocultamiento con pintura o cintas es común, también se pueden utilizar elastómeros o neopreno y plásticos para evitar el ataque químico.

Las aplicaciones son típicas para paneles decorativos o circuitos impresos, la diferencia con el recortado es que este desaloja porciones completas de material para hacer orificios, cortes, filetes, etc.

Las soluciones más comunes son el hidróxido de sodio para aluminio y soluciones de ácidos clorhídrico y nitrico para el acero.



MAQUINADO ULTRASONICO (MUS).

En este caso se le da a la herramienta una oscilación de alta frecuencia y baja amplitud, la cual a su vez trasmite el movimiento a fina partículas abrasivas que están presentes entre la herramienta y la pieza de trabajo, diminutas partículas de la pieza son convertidas en virutas en cada movimiento. Los granos abrasivos generalmente está formado por óxido de aluminio, carburo de boro o carburo de silicio y se aplican en solución acuosa, el agua es el agente que ayudan a arrastrar los restos.



El equipo alcanza una oscilación electrónica aproximadamente de 20,000 hz como una amplitud de incremento de 0.05 mm y la herramienta es de acero laminado o acero inoxidable.Con abrasivos finos pueden obtenerse rugosidades hasta de0.013 mm.

Este proceso se puede utilizar para taladrar agujeros, grabaciones, rebanado o brochado y es lo más adecuado para trabajar materiales muy duros o quebradizos como cerámica, carburo, piedras preciosas o aceros de alta dureza.


MAQUINAS CON HAZ DE LASER (MHL).

Se remueve el material utilizando un angosto haz de luz láser que se concentra sobre la pieza de trabajo. La intensidad de la energía del haz es capas de fundir y evaporar todos los materiales. Una aplicación típica es el barrenado de agujeros tan pequeños con 0.005 mm , el corte de titanio y materiales no metálicos como el corte de circuitos integrados.


MAQUINAS CON HAZ DE ELECTRONES (MHE).

Remueve material concentrando electrones de alta velocidad sobre la pieza de trabajo. A diferencia del láser este proceso requiere de una cámara de vacío y las altas temperaturas de trabajo son muy bajas comparadas con las de láser, se usa para hacer ranuras de barrenado en cualquier tipo de material.
CAPA SUPERFICIAL

La capa superficial de las piezas tiene propiedades físicas diferentes a las del corazón del material y la mayoría de ellas las adquiere durante el proceso de fabricación y la obtención del material en bruto.

Los principales indicadores de la capa exterior que nos permiten relacionar la pieza con el uso al que va ha ser destinado son los siguientes:

Estructura metalográfica. Se refiere a la formación y tamaño de los granos cristalinos.
Textura. Son principalmente los valores de rugosidad obtenida en el proceso de creación de la superficie.
Esfuerzos y deformaciones plásticas y elásticas.
Dureza y gradiente de dureza entre las diversas capas.
Cambios químicos. La capa exterior es la más susceptible a tener reacciones químicas con agentes externos.
Forma geométrica de la superficie.


ESFUERZOS RESIDUALES EN LA SUPERFICIE.

Para hacer el análisis de los esfuerzos residuales es muy importante considerar la forma de obtención del material de la pieza y se tiene dos modelos que se ajustan a cualquier proceso que son el modelo caliente y el modelo en frío.

Para el modelo en caliente, la forma de la pieza se obtuvo por fundición o por moldeado en caliente, por ejemplo, el laminado en caliente, el martillado en caliente, etc.

El modelo en frío se presenta cuando la pieza en bruto no fue calentado exprofesamente para modelarla, por ejemplo, el laminado en frío, el extrauído, el conformado con martillo en frío, etc.

Distribución de esfuerzos


Esf. Superficie Esf. Superficie
de la pieza de la pieza


Núcleo Núcleo





MODELO CALIENTE MODELO FRIO


La principal diferencia entre los dos modelos son las temperaturas de trabajo y la forma en que viaja el calor a través de la pieza, ya que en los moldeados en frío también se genera calor.

Cuando una pieza sufre varios procesos de fabricación los esfuerzos superficiales son sumatorios, por lo tanto, es más ventajoso el modelo en frío ya que tiende a compensar los esfuerzos producidos por las máquinas de corte o laminado y no sobrepasamos la resistencia última del material, una aplicación práctica para mejorar la resistencia de una pieza es hacer un acabado fino por rectificado con piedra.


RECUBRIMIENTOS POR DEPOSITO DE METALES.

Una práctica común para la mejora de las superficies de las piezas metálicas son los recubrimientos superficiales por depósitos de materiales.

Estos se puede arreglar de diferentes maneras y para efectos tribológicos lo importante es tener capas endurecidas con un bajo perfil de rugosidad. El espesor de la capa recubierta puede variar aproximadamente desde 300 hasta 1.5 mm, según el proceso utilizado.

Las capas endurecidas se pueden obtener por cualquiera de los siguientes procedimientos:

Tratamientos Termoquímicos. Por ejemplo la carburación o la nitruración, en estos casos elevando la temperatura de las superficies se logra una reacción química que produce una capa de material de reacción.

Procesos electrolíticos. Se conocen una gran variedad de recubrimientos que se pueden lograr por electrólisis por ejemplo: el cromado, el plateado, el niquelado, etc., aunque la mayoría de ellos no tienen valor representativo en tribología; ya que su principal función es la de prevenir la corrosión o mejorar la vista de la pieza y además son recubrimientos blandos, a excepción del cromado.

Procesos químicos y físicos. Son los tipos de recubrimientos más modernos que se emplean como técnicas tribológicas para mejorar las superficies.

Dentro de los procedimientos químicos y físicos podemos mencionar los siguientes:

Chemical vapor deposition (CVD).

En este caso se tiene que gasificar el material que va a servir de recubrimiento y se realiza dentro de algún depósito que se encuentra al vacío donde se colocan las piezas, este depósito que se encuentra a alta temperatura y los vapores reaccionan con las superficies de las piezas logrando el recubrimiento, se obtienen como resultado de la reacción gases tóxicos que deben ser filtrados, este proceso es típico para el carburo de titanio y el nitrato de titanio.

Los recubrimientos químicos sirven para aplicaciones con cargas medias por ejemplo herramientas de corte y no son buenas para impactos o temperaturas muy altas. Su resistencia a la carga dependiendo del material van desde 1000 a 2100 kg/cm2 y soporta temperaturas hasta de 1000 oC sin destruirse.

Algunos ejemplos de reacciones son las siguientes:

WF6 + 3H2 = W(sólido) + 6HF(gas)

TiCl4 + CH4 = TiC(sólido) + 4HCl(gas)




Phisical vapor deposition (PVD),

Este tipo de procedimiento para recubrir materiales se logra por el transporte hacia la superficie de átomos, moléculas o iones procedentes de una fuente gaseosa que originalmente era sólida o líquida. Presenta la ventaja sobre el CVD que el este proceso se efectúa a temperaturas más bajas, lo que redunda en el beneficio del material de la pieza ya que no sufre transformación su estructura cristalina interna.

Con este procedimiento se pueden obtener espesores de recubrimientos entre 0.08 y 3 mm y el tiempo del proceso dura de 2 a 4 horas. Los tipos de materiales que se pueden utilizar son: TiC, TiN, WC, TaC y TiCN.

El recubrimiento con TiN, es el procedimiento más adecuado para resistir al desgaste por abrasión y adherencia, en este se presenta el coeficiente más bajo de fricción, los hornos industriales (PVD) tiene una capacidad de hasta 150 kg en piezas y los recubrimientos soportan temperaturas entre 800 y 1400 oC.

Si la evaporación se logra por medio de reacciones químicas y no solo por la temperatura el proceso es conocido como de evaporación reactiva (RCD), reactive chemical deposition.

Herramientas Recubrimientos Tiempo de vida
Broca Ti N 4 – 8
Cortador / fresa Ti N 3
Machuelo Ti N 5 – 10
Fresa para engrane Ti N 2


ION IMPLANTACION.

Este otro proceso físico de recubrimiento y en este proporciona una energía de impacto de hasta 100 KW. Lo que hace que los iones penetren hasta aproximadamente 1 μm por debajo de la superficie, destruyendo la red cristalina y sustituyendo el ion disparado por un átomo de la red.

En los equipos actuales el área máxima de bombardeo es de 10 x 10 cm. y el proceso dura aproximadamente 1 hora. Se forman esfuerzos superficiales enormes (compresión) y se tiene poca información acerca de las velocidades verdaderas y los cambios físicos que presenta la superficie, pero en procesos experimentales es muy notoria la mejora en su resistencia al desgaste, la concentración normal es de 1017 iones por décima de mm2 .

Con la presión generada por los iones los átomos se desplazan hacia el interior de la pieza provocando variaciones de las propiedades a mayor profundidad que puede ser hasta de 50 μm.


SPRAY DE PLASMA (TIROLEADO)

Existen varios procedimientos para el deposito de polvo en una superficie pero en todos ellos se hace la presión parcial de polvo antes de ser arrojado en la superficie. Las capas que pueden operar bajo este procedimiento para fines tribológicos pueden ser de CiC, TaC,TiC y el espesor que se maneja esta entre 0.1 y 0.2 mm., este procedimiento es en caliente y se puede obtener una dureza Vickers hasta de 1000.