¿Y si las marcas más diminutas de un cigüeñal pudieran marcar la diferencia entre la fiabilidad y el fallo del motor? Este artículo profundiza en los orígenes, tipos e implicaciones de las marcas magnéticas en los cigüeñales de acero forjado. Aprenda cómo se detectan estas marcas, sus causas y las técnicas utilizadas para garantizar que el corazón de su motor funcione sin problemas. Conozca los meticulosos procesos de inspección y lo que revelan sobre la calidad de su cigüeñal.
El cigüeñal es un componente crucial de un motor diesel. Para garantizar su calidad, se realiza una inspección 100% después de su fabricación.
Normalmente, los principales fabricantes de motores tienen su propio conjunto de normas para la inspección de cigüeñales. Durante este proceso, pueden surgir diversas marcas magnéticas con formas diferentes, orígenes complejos y soluciones desafiantes.
La clasificación de las marcas magnéticas suele venir determinada por la experiencia del inspector, especialmente cuando se trata de identificar grietas de rectificado.
Para facilitar la observación durante la inspección, los fabricantes de cigüeñales suelen realizar la inspección por partículas magnéticas después del rectificado. El tratamiento de las grietas, ya sea mediante procesamiento en frío o en caliente, sigue siendo un tema de debate.
Tras años de producción y análisis, se han identificado varias marcas típicas de inspección magnética de cigüeñales endurecidos por inducción, lo que proporciona una base para un juicio más informado in situ.
Blanking → forja → normalizado, temple y revenido → desbastado → alivio de tensiones → semiacabado → temple y revenido por inducción → acabado → inspección y almacenamiento.
En la actualidad, los métodos más comunes para detectar defectos superficiales en los cigüeñales son utilizar una máquina de ensayo de partículas magnéticas fluorescentes o realizar una inspección visual.
Los defectos superficiales son imperfecciones que pueden observarse a simple vista en buenas condiciones de iluminación después de limpiar la suspensión magnética tras la inspección por partículas magnéticas. Se denominan marcas magnéticas de defectos superficiales.
Algunos defectos superficiales comunes en los cigüeñales de acero forjado son: grietas en la materia prima y en la forja, grietas por tratamiento térmico, grietas por rectificado e inclusiones no metálicas expuestas.
Las grietas de la materia prima y las grietas del pliegue de forja suelen ser pequeñas y estar situadas en la superficie de la pieza en bruto de forja, por lo que son difíciles de detectar sin un examen minucioso. Sin embargo, estas grietas pueden empeorar tras el procesamiento y el endurecimiento por inducción.
En el caso de piezas más pequeñas, tensión interna pueden hacer que estas grietas partan seriamente la pieza en dos.
Las grietas de la materia prima suelen ser paralelas al eje, extendiéndose de forma recta e intermitente, como se muestra en la figura 1.
Fig. 1 Grietas en la materia prima
El pliegue de forja es una capa intermedia que resulta de una operación incorrecta durante la forja. Su forma y ubicación son impredecibles.
En temple y revenidola grieta se hace relativamente grande, como se muestra en la figura 2. En algunos casos, la capa de óxido implicada puede verse en las aberturas principales.
Fig. 2 Pliegue forjado
Véase la Fig. 3 para piezas forjadas con grietas.
Un análisis aproximado podría ser:
① Debido a la sobrecombustión.
② A medida que el metal soluble penetra en el metal base (como el cobre).
Agrietamiento por corrosión bajo tensión.
④ La superficie de forja está muy descarburada.
Estas grietas pueden diferenciarse aún más mediante la investigación de procesos y el análisis organizativo.
Por ejemplo, el sobrecalentamiento del acero o un alto contenido de cobre en el mismo pueden provocar la fragilidad del cobre. Desde una perspectiva microestructural, las grietas de fragilidad por cobre se producen en el límite de grano.
Además de las grietas, se aprecia una malla de cobre brillante, mientras que en el límite de grano puro sobrequemado sólo hay óxidos.
El agrietamiento por corrosión bajo tensión puede producirse tras el decapado con ácido. Cuando se observa a gran aumento, la grieta se extiende siguiendo un patrón dendrítico.
Si la forja ha sido severamente descarburada, una capa más gruesa de descarburización en la probeta.
Fig. 3 Fisuración por forja
Para las grietas de la materia prima y las grietas de forja, durante la observación metalográfica, si las muestras se toman perpendiculares a las grietas, descarburización pueden observarse a ambos lados de las grietas. En algunos casos, puede haber óxidos entre ellas.
Las grietas de enfriamiento en cigüeñales suelen producirse en zonas con cambios bruscos de tamaño, poco espesor efectivo o deficiente rugosidad superficial. Estas zonas pueden incluir escalones, extremos, esquinas afiladas, chaveteros, orificios, conductos de aceite y otras estructuras de la región de temple.
El temple por inducción puede causar una concentración de corriente de inducción en estas piezas, lo que provoca un sobrecalentamiento local y grietas de temple debido a una capa de endurecimiento profunda.
Las grietas de enfriamiento suelen tener dos formas.
Una forma de grietas de enfriamiento puede encontrarse en una superficie cilíndrica lisa o cerca de un resalte con un espesor efectivo fino. Estas grietas se distribuyen circunferencialmente y tienen dimensiones relativamente grandes, como se muestra en la figura 4.
El otro tipo de grieta es la del orificio de aceite, como se muestra en las figuras 5 y 6.
Fig. 4 Grietas en el resalte del punto muerto superior del muñón de la biela
Fig. 5 Grietas radiales en el orificio de aceite
Fig. 6 Pequeñas grietas transversales en la pared interior del orificio de aceite
Además de las grietas radiales cerca del orificio de aceite en el cigüeñal, a veces pueden aparecer pequeñas grietas transversales en una zona de 3 a 8 mm por debajo de la pared interior del orificio de aceite. Alternativamente, también se pueden encontrar grietas en forma de "C" en la superficie del muñón cerca del orificio, que generalmente aparecen en forma de arco de 10 a 20 mm desde el borde del orificio a lo largo de un paso de aceite inclinado.
Estas grietas son el resultado de los diferentes espesores entre la pared interior del paso de aceite inclinado y la superficie del gorrón. La zona más delgada es más propensa al endurecimiento, lo que da lugar a una capa endurecida relativamente profunda.
Si el proceso de enfriamiento no se ejecuta correctamente, pueden aparecer pequeñas grietas transversales en la pared del orificio de paso del aceite donde es delgada y está endurecida. Si estas grietas se extienden a la superficie en forma de escamas y penetran en ella, puede formarse una grieta en forma de "C" en el orificio.
Las grietas de temple se distinguen fácilmente de las grietas de la materia prima y de las grietas de forja en un microscopio metalográfico. No presentan descarburación ni óxido y tienen un extremo de cola delgado.
Si la temperatura de calentamiento es demasiado alta, las grietas de enfriamiento se distribuirán a lo largo del grano y presentarán características de recalentamiento como acicular grueso martensita. Las grietas de enfriamiento provocadas por el enfriamiento rápido en la zona de transformación de la martensita suelen ser transgranulares, con grietas rectas y líneas fuertes, y sin pequeñas grietas ramificadas alrededor.
La estructura metalográfica cerca de la grieta principal se compone típicamente de martensita finamente templada.
Tras el endurecimiento por inducción, la superficie del cigüeñal tiene una dureza elevada y una gran tensión interna. Si los parámetros de rectificado son incorrectos, pueden producirse grietas de rectificado.
El proceso de rectificado de grietas es similar al proceso de enfriamiento.
Durante el rectificado a alta velocidad, la zona local donde la muela entra en contacto con la pieza alcanza temperaturas superiores a la temperatura de austenización. La aplicación de fluido de corte durante el rectificado equivale a otro proceso de temple.
Si el material contiene trazas elementos de aleación que aumentan la probabilidad de grietas por enfriamiento, aumentará la probabilidad de grietas por rectificado.
Las grietas de rectificado aparecen en la superficie lisa y rectificada. Los tipos más comunes de grietas de rectificado en las muñequillas son:
Grietas de fisura (en forma de "boca japonesa" o pozo), como se muestra en la figura 7, que son grietas lineales únicas, múltiples grietas paralelas de puntos y tiras, o una pila de grietas de puntos y tiras, como se muestra en la figura 8.
En la dirección axial, perpendicular a la dirección de rectificado, se distribuyen grietas lineales simples o múltiples grietas puntuales paralelas. En el saliente lateral, estas grietas son generalmente radiales, como se muestra en la figura 9.
Fig. 7 Fisuración
Fig. 8 Múltiples grietas puntiformes paralelas o una pila de grietas puntiformes
Fig. 9 Grietas radiales laterales
Si se toma una muestra perpendicular a este tipo de grieta, se puede observar la estructura de enfriamiento secundario con un microscopio metalográfico.
Las características metalográficas de la capa de temple secundario desde el exterior hacia el interior son una capa blanca brillante, una capa negra grisácea templada (troostita) y la capa de endurecimiento por inducción (martensita templada).
El tamaño de la indentación de dureza de la capa blanca brillante puede utilizarse para determinar su dureza, que es particularmente alta, como se muestra en las figuras 10 y 11.
En algunos casos, sólo puede verse la capa de troostita templada y no la capa blanca brillante del temple secundario.
La capa de temple secundario es muy fina, por lo que se requieren elevados niveles de preparación de las muestras metalográficas. Si la preparación de la muestra no se realiza correctamente, la capa blanca brillante puede no ser visible.
Fig. 10 Estructura metalográfica de la capa de enfriamiento secundaria para grietas de esmerilado
Fig. 11 Diagrama comparativo de la indentación de dureza de la capa de enfriamiento secundaria para grietas de esmerilado
En inclusiones en el acero se clasifican generalmente en dos tipos: inclusiones metálicas e inclusiones no metálicas.
Inclusiones metálicasque suelen ser externas, pueden prevenirse aplicando sólidas prácticas de gestión y respetando estrictos procedimientos operativos.
Por otra parte, las inclusiones no metálicas se forman por la reacción de los gases del acero, los desoxidantes y los elementos de aleación durante la fundición, así como por la presencia de fragmentos refractarios.
Para eliminar estas inclusiones durante la fundición, el acero líquido se hierve completamente y se estabiliza en la cuchara de acero para que las inclusiones puedan subir a la superficie y eliminarse en la escoria.
La posición de las inclusiones no metálicas no es fija y pueden aparecer solas o en grupos. Como las inclusiones nomateriales metálicos no son magnéticos, su presencia perturba la continuidad del material.
Si las inclusiones están expuestas o si están relativamente cerca de la superficie, aparecerán como marcas magnéticas en la detección de defectos por partículas magnéticas. Cuanto más cerca estén las inclusiones de la superficie, más prominente será su rastro magnético. En consecuencia, las huellas magnéticas de las inclusiones pueden ser intermitentes.
Tras el forjado, las inclusiones no metálicas suelen distribuirse a lo largo de la dirección axial de un cigüeñal. Las líneas de sus trazas magnéticas aparecen blandas y el extremo suele ser calvo. Cuando una inclusión queda al descubierto tras el mecanizado, se considera un defecto abierto (véase la figura 12).
Fig. 12 Inclusión abierta única y morfología ampliada
Se toma una muestra perpendicular a la grieta y se examina con un microscopio metalográfico.
La profundidad de la grieta no es profunda y su fondo tiene forma redondeada, como muestra la figura 13.
Fig. 13 Sección transversal sin corrosión
Después de realizar la detección de defectos por partículas magnéticas, la suspensión magnética debe limpiarse con un paño y observarse a simple vista en buenas condiciones de iluminación.
Si no hay defectos visibles, la marca magnética se considera un defecto no superficial.
Durante el proceso de forja de piezas forjadas, el metal fluye en una dirección específica.
Mediante la disección de la pieza, se pueden observar las líneas de flujo de forja a través de la observación macro después de someterse a la corrosión, como se muestra en la Figura 14.
Fig. 14 Macroimagen tras la corrosión por alcohol ácido nítrico de 5%
Durante los procedimientos normales de detección de defectos y según las especificaciones, la traza magnética de una línea de flujo de forja no suele ser visible o es muy débil, como se demuestra en la figura 15.
Sólo cuando el campo magnético es demasiado fuerte o si hay segregación y una cantidad significativa de inclusiones presentes puede verse una traza magnética clara.
Fig. 15 Línea de flujo frontal del cigüeñal
La no uniformidad de la composición química de los distintos grados de acero se denomina segregación.
La segregación puede dividirse a su vez en segregación dendrítica, segregación cuadrada y segregación puntual en función de sus causas y manifestaciones.
Lingotes, en particular los de cromo molibdeno o cromo níquel con contenido medio de carbono. acero al molibdeno forjados, suelen contener muchas inclusiones, que son inevitables.
La adición de elementos de aleación al acero suele reducir su fluidez, lo que dificulta la eliminación de inclusiones no metálicas en el acero. acero aleado en comparación con el acero al carbono. Esto también aumenta la probabilidad de segregación o inclusiones.
Durante el procesado de un cigüeñal de acero aleado, el metal fluye desde el centro hacia la superficie de separación, dando lugar a segregación (cinta) e inclusiones que suelen ser más graves en la superficie de recorte y más cerca de la superficie.
Aunque estas inclusiones no estén expuestas en el filo de corte, si están cerca de la superficie y tienen cierta longitud, aparecerán marcas magnéticas en forma de línea de corriente durante la detección de defectos, como se demuestra en la figura 16.
La figura 16 muestra la línea de corriente en el recorte de un cigüeñal con separación estereoscópica y la segregación de bandas en la superficie después de someterse al macrograbado con ácido nítrico 5%.
El acero aleado es conocido por su alta templabilidad, que lo hace propenso a producir inhomogeneidad estructural (estructura en bandas) durante el enfriamiento.
Además, el acero aleado tiene una conductividad térmica relativamente baja, lo que provoca un aumento del tensión residual en el acero.
Si el proceso de rectificado no se ejecuta correctamente, pueden producirse grietas de rectificado en las zonas afectadas por estos defectos metalúrgicos.
Identificar correctamente todos los tipos de marcas magnéticas en la detección de defectos en cigüeñales requiere tanto una amplia experiencia de campo de los trabajadores de detección de defectos como una comprensión unificada.
Actualmente, cada fábrica de motores tiene su propia norma para la detección de defectos en el cigüeñal.
Los fabricantes profesionales tienen diferentes conocimientos sobre el impacto de las marcas magnéticas no superficiales en el muñón y la muñequilla del cigüeñal y su efecto en la fatiga del cigüeñal. Se necesita más investigación en esta área entre los pares de la industria.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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