Estudio y desarrollo de metodologías para caracterizar perfiles de tensiones residuales, capas endurecidas por inducción y quemas de rectificado mediante técnicas no destructivas de emisión magnética de barkhausen en componentes sometidos a fatiga

Resumen

El aseguramiento de la calidad de todos los componentes fabricados cada vez es más importante, especialmente en aquellos casos donde el fallo no previsto del componente puede provocar pérdidas de vidas humanas o grandes pérdidas económicas. Tradicionalmente, el aseguramiento de la calidad se realizaba mediante una caracterización destructiva de un grupo de componentes del lote de producción. En las últimas décadas está cogiendo fuerza el aseguramiento de la calidad en el 100% de la producción mediante ensayos no destructivos. No obstante, a día de hoy existen diversas propiedades para las que no existen técnicas convencionales de caracterización no destructiva. El objetivo principal del presente trabajo de investigación consiste en estudiar y desarrollar metodologías para caracterizar, mediante técnicas no destructivas, tres propiedades de los componentes que afectan a su vida a fatiga: perfiles de tensiones residuales a lo largo de la profundidad y capas endurecidas mediante temples por inducción (profundidad y dureza superficial) y defectos de rectificado denominados quemas de rectificado. Se ha utilizado el método no destructivo de la emisión magnética de Barkhausen (EMB) debido a su sensibilidad a las tensiones residuales y a la dureza mecánica de los componentes. La EMB es una señal electromagnética que se emite en un material ferromagnético debido al movimiento de las paredes de los dominios magnéticos durante su magnetización y cuyas características son función de la microestructura, tensiones residuales y otras propiedades del material. Los perfiles de tensiones residuales a lo largo de la profundidad se han estudiado analizando la EMB en los dominios temporal y frecuencial. Se han desarrollado metodologías con las que se logran estimar perfiles de tensiones residuales promedio (el promedio de la tensión residual desde la superficie hasta cada profundidad analizada) utilizando los datos de la EMB en el dominio temporal con un error de estimación menor de 100 MPa y caracterizándose una profundidad de hasta 130 µm. Además se ha desarrollado una metodología basada en un modelo de la EMB en el dominio frecuencial con el que tras una etapa de calibración se han logrado estimar perfiles de tensiones residuales puntuales (la tensión residual en cada profundidad analizada) con un error menor a 70 MPa en una profundidad de 130 µm. Las capas endurecidas y las quemas de rectificado se han estudiado analizando la EMB y las señales de la excitación magnética. Se ha desarrollado una metodología para caracterizar las profundidades y las durezas superficiales de capas endurecidas mediante inducción y para detectar las quemas de rectificado sin necesidad de realizar una medida de EMB por cada característica a determinar. Esta metodología se ha aplicado en una planta de producción de husillos a bolas para el sector aeronáutico y se han logrado: estimaciones de la profundidad de la capa endurecida con un error menor a ±200 µm; determinación de umbrales para separar las muestras que presentan durezas de la capa endurecida menor a 56 HRC del resto; y determinación de umbrales para detectar las quemas de rectificado independientemente de la profundidad y de la dureza de la capa endurecida, todo ello sin necesidad de realizar distintas medidas en función de la característica que se deseaba conocer.