Metrología Industrial: Caracterización de Rugosidad y Ensayos de Dureza (Brinell, Vickers, Rockwell)

Control de Calidad Superficial: Rugosidad y Dureza

Rugosidad Superficial

La elección de una determinada rugosidad se debe principalmente a cuestiones económicas: cuanto mejor sea el grado de acabado de la superficie, mayor será el coste de producción.

Definiciones de Superficie

• Superficie teórica o geométrica: Es la que viene especificada en los planos de diseño.
• Superficie real: Es la que delimita el cuerpo y la que se obtiene al terminar una pieza.
• Superficie efectiva: Es la parte de la superficie real que ha sido estudiada para determinar las características de la pieza.

Tipos de Defectos Superficiales

• Defectos de rugosidad: Causados por el procedimiento empleado para su obtención, generan ranuras o estrías en la superficie del material.
• Defectos de ondulación: Provocados por desajustes o vibraciones en las máquinas de mecanizado.
• Defectos de forma: Implican desviaciones geométricas macroscópicas (falta de planitud, curvatura o conicidad).

Medición de la Rugosidad

Utilizaremos el Rugotest para verificar la rugosidad mediante comparación visual o táctil, y el rugosímetro para medirla instrumentalmente.

El perfil real de una superficie se define como la suma del perfil de rugosidad y el perfil ondulado:

$$\text{Perfil real} = \text{Perfil de rugosidad} + \text{Perfil ondulado}$$

Funcionamiento del Rugosímetro

El rugosímetro introduce filtros que discriminan las longitudes de onda larga, siendo capaces de neutralizar los defectos de ondulación y representar únicamente los parámetros de rugosidad necesarios. La longitud de onda de corte ($\lambda_c$) sirve para distinguir entre ondulación y rugosidad. Es importante notar que no se tiene en cuenta el principio ni el final de la medición de la rugosidad.

Parámetros de Rugosidad Clave

• Ra (Desviación aritmética media del perfil): Es la media aritmética de todos los valores absolutos (picos y valles) de las distancias a la línea media. Es el parámetro más común.
• Rz (Altura de irregularidades de 10 puntos): Se calcula haciendo la media de los 5 picos más altos y los 5 valles más profundos, medidos desde una línea paralela a la línea media.

Tolerancias Superficiales (Norma ISO)

Las tolerancias superficiales se clasifican mediante grados N, asociados a valores de Ra:

• Acabados muy bastos (Marcas visibles y palpables):
  • N11 (Ra 25) y N12 (Ra 50): Muy basto, pero liso y regular.
  • N9 (Ra 6,3) y N10 (Ra 12,5): Han sido desbastadas, marcas visibles incluso al tacto.
• Buenos acabados (Marcas visibles, difíciles de sentir al tacto):
  • N7 (Ra 1,6) y N8 (Ra 3,2): Buenos acabados con marcas visibles al tacto, difícil sentir al tacto.
• Acabados finos (Sin marcas visibles):
  • N5 (Ra 0,4) y N6 (Ra 0,8): Acabados muy finos sin marcas visibles.
• Acabados superfinos (Pulido y espejo):
  • N4 (Ra 0,2), N3 (Ra 0,1), N2 (Ra 0,05) y N1 (Ra 0,025): Acabados superfinos, incluso acabado de espejo.

Ensayos de Dureza

La dureza es la resistencia que oponen los cuerpos a dejarse penetrar por otros. Los ensayos de dureza más comunes son Brinell, Vickers y Rockwell. El tipo de ensayo más usado en la industria es el ensayo destructivo (o semi-destructivo).

Ensayo de Dureza Brinell (HB)

Se utiliza principalmente para materiales blandos. El penetrador es una bola que, dependiendo del material a ensayar, será de acero extraduro (HBS) o de carburo de wolframio (HBW).

Para obtener el valor de la carga ($P$), se utiliza la fórmula $P = K \cdot D^2$, donde $D$ es el diámetro de la bola y $K$ es una constante específica del material.

Normativa: UNE-EN ISO 6506-1:2006.

Consideraciones del Ensayo Brinell

• El espesor de la pieza debe ser al menos 8 veces el valor de la profundidad del casquete esférico resultante.
• La superficie debe ser plana y uniforme (libre de óxidos o inclusiones).

Ensayo de Dureza Vickers (HV)

Se utiliza para materiales duros. Funciona de manera similar al Brinell, pero el penetrador es una pirámide de base cuadrada con punta de diamante, cuyo ángulo entre caras tiene un valor de 136º.

Se miden las dos diagonales de la huella, calculando luego la media, lo que proporciona una mayor precisión. El espesor de la pieza debe ser 1,5 veces superior al valor de la diagonal de la huella.

Procedimiento Vickers

• La carga se aplica en un intervalo de 2 a 8 segundos.
• La fuerza se mantiene aplicada durante 10 a 15 segundos.

Normativa: UNE-EN ISO 6507-1.

Ensayo de Dureza Rockwell (HR)

Normativa: UNE-EN ISO 6508-1.

El ensayo Rockwell utiliza diferentes penetradores y escalas:

• Escala HRC: Utiliza un penetrador en cono de diamante de 120º con punta redondeada, empleado para materiales muy duros.
• Escala HRB: Utiliza un penetrador en bola de acero de 1,5875 mm (1/16") o 3,175 mm (1/8"), empleado para materiales blandos.

Procedimiento Rockwell

1. Se aplica una precarga inicial de 10 kg.
2. Se aplica el resto de la carga total, intentando romper la zona elástica del material.
3. Se retira la carga principal.
4. Se procede a la lectura de la huella permanente con el durómetro, utilizando únicamente la precarga.