Caso 01 / Agrietamiento por conformado en frío
La brida del perno se agrietó formando una red:
Investigación de las causas a partir de la microestructura laminar y la endurecimiento superficial
Una pieza de tornillo presentaba el vástago aparentemente normal, pero en los bordes de la brida, tras el proceso de estampado en frío, aparecieron finas grietas. Ante este tipo de situación, limitarse a preguntar “¿será que el material es demasiado duro?” suele no ser suficiente.
El foco de este análisis reside en que, cerca de la superficie del material, se observaron simultáneamente anomalías microestructurales y un aumento de la dureza. A partir de ello planteamos que la microestructura laminar junto con una posible cementación superficial afectaron conjuntamente la capacidad local de deformación, favoreciendo la aparición de fisuras durante el estampado en frío de la brida.
A continuación explicaremos claramente los hallazgos obtenidos en las pruebas y esta ruta de fallo.
I. Antecedentes del caso: el cliente encarga a Creation Group el análisis del agrietamiento por estampado en frío
Una empresa fabricante de elementos de fijación utilizaba alambres suministrados por su proveedor habitual para producir tornillos. Durante la etapa de estampado en frío detectaron grietas en forma de red en la zona de la brida y posteriormente encargaron al Grupo Creation Group realizar el análisis correspondiente.
El cliente identificó el material como SCM435, con un diámetro del alambre de φ13,15 mm. El material objeto de este caso no fue suministrado por Creation Group; nuestra empresa asumió únicamente las tareas de análisis de las muestras enviadas. La información relativa al cliente y al proveedor ha sido tratada de manera anónima.
El presente análisis se basa en la apariencia visual de las muestras, fotografías metalográficas de sección transversal y registros de dureza micro-Vickers. No se dispuso de alambre original del mismo lote, ni de los registros completos del tratamiento térmico, ni de resultados cuantitativos sobre el contenido de carbono.
Aspecto externo de las grietas en la brida
En la brida de la muestra enviada se observan múltiples grietas cortas, entrecruzándose parcialmente entre sí.
II. Hallazgos del análisis: la capa próxima a la superficie no solo presenta una microestructura diferente, sino también una dureza superior
Las fotografías metalográficas muestran que en la sección analizada existe una zona claramente diferenciada cerca de la superficie; las dos áreas marcadas tienen anchos de 78,56 μm y 105,64 μm, equivalentes aproximadamente a 0,08–0,11 mm.
Observando a gran aumento, se aprecia que esta zona presenta una microestructura laminar y acicular bastante evidente, distinta de la morfología de los carburos internos.
Microestructura de la capa superficial y mediciones locales
Los anchos medidos en las dos zonas señaladas como diferentes en cuanto a microestructura no equivalen directamente a la profundidad de cementación determinada.
Microestructura de la capa superficial a gran aumento
En la capa superficial se observan claramente características microestructurales laminares y aciculares; el aumento original y la escala gráfica se han conservado.
Microestructura interna a gran aumento
Comparando con la Figura 3, observe la forma y distribución de los carburos; la diferencia entre claros y oscuros no sustituye directamente a un análisis cuantitativo del contenido de carbono.
La dureza microscópica aporta otra evidencia. Según el orden de puntos de medición registrado durante este ensayo, “desde el borde hacia el interior”:
Parámetros comparados Registros del ensayo
Primer punto cerca de la superficie 260,5 HV0.1
Dos puntos siguientes 248,5 y 240,6 HV0.1
Valor promedio en el intervalo de 0,5–1,4 mm Alrededor de 232,4 HV0.1
Diferencia entre el primer punto superficial y dicho promedio Aproximadamente 28,1 HV0.1
La diferencia en la microestructura y el aumento de dureza se refuerzan mutuamente: la capa superficial no es simplemente “un poco más oscura en la foto”, sino que presenta una microestructura y unas propiedades mecánicas distintas de las del interior.
Datos del ensayo
Datos originales de 15 puntos de dureza micro-Vickers
Curva de dureza
Curva de dureza micro-Vickers
Las condiciones de prueba fueron HV0.1, con un total de 15 puntos. Los datos y la curva muestran conjuntamente las variaciones de dureza entre los puntos de medición y deben interpretarse teniendo en cuenta la ubicación de cada punto.
III. Primera pista causal: ¿Por qué aparece la microestructura laminar?
El objetivo del recocido de esferoidización no es solo reducir un valor de dureza, sino también obtener una morfología y distribución de las carburos adecuadas para los procesos posteriores de conformado en frío.
En el caso de la microestructura laminar observada en esta ocasión, consideramos principalmente dos posibles mecanismos de formación: por un lado, que la perlita original no se haya esferoidizado suficientemente; por otro, que durante el enfriamiento posterior al calentamiento se haya regenerado perlita.
La principal explicación térmica propuesta aquí es que la combinación inadecuada entre la temperatura de calentamiento, el tiempo de mantenimiento y el proceso de enfriamiento ha favorecido la permanencia o la regeneración de perlita laminar.
Si durante el calentamiento se entra parcialmente en el campo de austenitización, con temperaturas demasiado elevadas o un mantenimiento inadecuado a dichas temperaturas, se altera el estado de disolución de los carburos; si luego el enfriamiento no favorece la formación de carburos esferoidales, puede volver a generarse una microestructura laminar. El propio proceso de esferoidización implica tanto la disolución de los carburos durante el calentamiento como su reprecipitación durante el enfriamiento, por lo que no basta con analizar únicamente un único parámetro de mantenimiento.
Por lo tanto, no vale decir “cuanto más tiempo se mantiene, más blando queda”, ni tampoco “si se realiza el recocido de esferoidización, automáticamente quedará perfectamente esferoidizado”. Al final, lo decisivo es la microestructura.
IV. Segunda pista causal: ¿Agravó la atmósfera del horno las anomalías superficiales?
El aumento de carbono en la capa superficial constituye otra de las principales causas tecnológicas identificadas en este caso.
Si la atmósfera del horno presenta una tendencia a enriquecer en carbono respecto al acero, la superficie del material puede experimentar una acumulación de carbono, modificando así la cantidad de carburos presentes en esa zona, así como su comportamiento de disolución y transformación, lo que provoca diferencias microestructurales entre la capa superficial y el interior.
Esto podría superponerse con las anomalías del proceso de esferoidización: por un lado, la microestructura laminar no se elimina completamente o vuelve a formarse; por otro, la acumulación de carbono en la superficie afecta aún más a la microestructura local y a la dureza.
No obstante, cabe señalar una diferencia importante: los resultados metalográficos y de dureza disponibles apoyan esta interpretación, pero no permiten afirmar por sí solos que el contenido de carbono haya aumentado efectivamente. Incluso con el mismo contenido de carbono, cambios en la morfología de la microestructura, en el tamaño de grano y en la distribución de los carburos pueden influir en las propiedades del material.
Por consiguiente, la hipótesis de “enriquecimiento superficial por la atmósfera” se considera en este caso una causa tecnológica probable, más que un hecho comprobado mediante ensayos cuantitativos concluyentes.
V. ¿Por qué finalmente se manifiesta como grietas reticulares en la brida?
Durante el conformado de la brida, el material se expande hacia los lados, aumentando su área superficial; la capa próxima a la superficie debe deformarse conjuntamente con el interior.
La presencia de una microestructura laminar y de zonas localmente más duras indica que la respuesta a la deformación en estas áreas difiere de la del núcleo interno. Bajo la acción de tensiones locales de tracción y cizallamiento, si la capacidad de deformación resulta insuficiente, es fácil que aparezcan primero pequeñas fisuras.
Conforme continúa el conformado, diferentes puntos débiles se fracturan sucesivamente; las grietas se extienden en diversas direcciones y se conectan parcialmente entre sí, adoptando eventualmente una morfología reticular.
En términos sencillos: mientras el interior sigue expandiéndose hacia afuera, la capa superficial ya no logra seguir el ritmo, y en múltiples lugares se producen desgarros consecutivos.
La trayectoria de fallo propuesta aquí es la siguiente: un tratamiento térmico de esferoidización mal ejecutado genera una microestructura laminar residual o regenerada; se sospecha que la atmósfera del horno agrava las diferencias microestructurales y de dureza en la capa superficial; durante el estampado en frío de la brida, la falta de coordinación en la deformación local favorece la nucleación simultánea de múltiples grietas.
Esta es la principal hipótesis mecánica formulada sobre la base de la información disponible. Las muestras tomadas hasta ahora corresponden a la parte central del eje, por lo que no es posible asumir directamente que las observaciones realizadas en esa sección indiquen que las grietas de la brida se originaron precisamente en la capa anómala.
VI. Puntos clave del tratamiento: verificar simultáneamente el proceso de tratamiento térmico y el control de la atmósfera
Dado que se plantean dos factores, el tratamiento posterior no puede centrarse únicamente en un único valor de dureza.
Primero, verificar el proceso real de tratamiento térmico. Comparando la temperatura de calentamiento, el tiempo de mantenimiento y la curva de enfriamiento que realmente experimentó el material, es necesario determinar si la microestructura laminar no se ha esferoidizado suficientemente o si se ha vuelto a formar durante el enfriamiento.
Segundo, comprobar la atmósfera y la distribución del carbono en la capa superficial. Contrastando los registros del control de la atmósfera y realizando inspecciones correspondientes sobre el contenido de carbono, la microestructura y la dureza desde la superficie hasta el interior en las barras originales del mismo lote, se debe validar la hipótesis de aumento de carbono en la capa superficial.
Tercero, verificar la eficacia de los ajustes mediante la microestructura y los resultados de conformado. No basta con observar si la dureza global ha disminuido tras los ajustes; también hay que comprobar si la microestructura laminar cerca de la superficie se ha reducido, si el estado entre la parte superficial y el núcleo es más uniforme, así como analizar los resultados de ensayos de estampado en frío de productos similares.
Los datos disponibles no incluyen los resultados de reevaluaciones posteriores a las correcciones ni registros de producción en serie; por lo tanto, no presentaremos las orientaciones de tratamiento mencionadas anteriormente como medidas ya validadas y exitosas.
VII. Conclusión del caso
La principal causa de fallo identificada en este caso es que la microestructura laminar cercana a la superficie, junto con una localizada endurecimiento, redujo la capacidad de coordinación de la deformación, favoreciendo la aparición de grietas en red durante el proceso de expansión en el estampado en frío de bridas.
En cuanto al origen de esta anomalía, se apunta principalmente a la combinación de un tratamiento térmico de esferoidización inadecuado y a la posible enriquecimiento con carbono provocado por la atmósfera dentro del horno. En particular, los procesos específicos de regeneración de perlita y de enriquecimiento con carbono requieren una verificación más detallada mediante la comparación de los registros de las barras originales, del tratamiento térmico y de la atmósfera.
Este caso demuestra que, para evaluar los materiales destinados al estampado en frío, no basta con preguntar “¿cuál es la dureza media?”; también es necesario prestar atención a qué tipo de microestructura presenta la capa superficial, cuáles son sus diferencias respecto al interior y si puede colaborar adecuadamente en la deformación requerida por el producto.
El Grupo Creation Group ayuda a los clientes a realizar análisis de fallos relacionando la morfología de las grietas, la microestructura y los datos de propiedades, proponiendo diagnósticos fundamentados y verificables, de modo que las mejoras posteriores tengan objetivos claros.
Observar las grietas es solo el punto de partida; explicar por qué aparecieron es, precisamente, el valor del análisis de fallos.
Grupo Creation Group · Aula de Ingenieros de Estampado en Frío
Explicando claramente los problemas de los materiales