Examen Metalográfico de Engranajes: Principios, Métodos y Conocimientos Clave

Time : 2025-11-13

Los engranajes son componentes fundamentales de la transmisión mecánica, y sus propiedades materiales y la calidad del tratamiento térmico afectan directamente la vida útil y la confiabilidad. El examen metalográfico, mediante el análisis microscópico de los materiales del engranaje, evalúa indicadores clave como los procesos de tratamiento térmico, la profundidad de endurecimiento superficial y el tamaño de grano, constituyéndose en un método crucial de control de calidad.

Objetivos Principales e Ítems de Detección

El objetivo principal del examen metalográfico de engranajes es garantizar el rendimiento del producto mediante la evaluación de parámetros críticos:

Profundidad de endurecimiento superficial: Un indicador clave para la resistencia al desgaste de engranajes cementados/templados (según lo exigido por la norma ISO 6336).
Tamaño de grano: Influye en la resistencia y tenacidad del engranaje (clasificado según ASTM E112).
Microestructura: Las morfologías de martensita, austenita residual y carburos determinan el comportamiento ante la fatiga.
Defectos superficiales: Detecta quemaduras por rectificado y grietas (cumpliendo con la norma AIAG CQI-9).

Constituyentes Microestructurales Básicos

Ferrita (α): estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC), blanda y tenaz con baja dureza (~80HV), común en acero de bajo carbono y hierro puro.
Austenita (γ): estructura cúbica centrada en las caras (FCC), alta plasticidad y no magnética, presente a altas temperaturas o en aceros de alto contenido de aleación como el acero inoxidable 304 y el acero de alto manganeso.
Cementita (Fe₃C): sistema cristalino ortorrómbico, dura y frágil (~800HV) y mejora la resistencia al desgaste, presente en fundición blanca y acero de alto carbono.
Martensita: estructura tetragonal centrada en el cuerpo (BCT), alta dureza (500~1000HV) obtenida mediante temple, utilizada en acero templado y acero para herramientas.

Morfologías microestructurales comunes

Tipo de microestructura	Condiciones de formación	Características de rendimiento	Aplicaciones típicas
Perlita	Enfriamiento lento (transformación eutectoide)	Resistencia y tenacidad equilibradas	Acero para rieles, temple y revenido de engranajes
Bainita	Temple isotérmico a temperatura media	Mayor resistencia y tenacidad que la perlita	Resortes, pernos de alta resistencia
Sorbite	Martensita revenida (500~650℃)	Excelentes propiedades integrales	Árboles, bielas

Proceso de ensayo y métodos estándar

Muestreo y Preparación de Muestras

Posiciones de muestreo: Cima del diente (evalúa el efecto de endurecimiento superficial), raíz del diente (analiza la microestructura en áreas de concentración de tensiones), sección transversal (mide el gradiente de endurecimiento por capas).
Pasos clave de preparación: Corte → Montaje → Rectificado → Pulido → Atacado → Observación microscópica.
Montaje: Utilizar resina epoxi para la protección de bordes (se recomienda montaje en frío para evitar impacto térmico).
Pulido: Pulir hasta obtener un acabado espejo de 0,05 μm con pasta de pulido de diamante para evitar interferencias por rayaduras.

Selección del Reactivo de Ataque

Tipo de Material	Reactivo de Ataque Recomendado	Efecto
Acero cementado	nital al 4% (ácido nítrico-alcohol)	Muestra claramente martensita/austenita
Acero nitrurado	Ácido pícnico + detergente	Resalta la capa de nitruro (por ejemplo, γ'-Fe₄N)
Engranajes de acero inoxidable	Ataque electrolítico con ácido oxálico (10 V, 20 s)	Distingue la fase σ y los carburos

Equipos clave de pruebas

Microscopio óptico (MO)

Aplicación: observación básica de microestructura (por ejemplo, clasificación del tamaño de grano).
Requisitos de configuración: magnificación de 500× a 1000×, equipado con software de análisis de imágenes (por ejemplo, Olympus Stream).

Microscopio Electrónico de Barrido (SEM)

Ventajas: Observación de alta resolución de inclusiones no metálicas (por ejemplo, MnS) y análisis de composición mediante EDS.
Ejemplo de caso: Grietas intergranulares causadas por segregación de azufre detectadas en el análisis de fractura de caja de engranajes para energía eólica.

Ensayo de microdureza

Método: Prueba de gradiente de dureza Vickers (HV0.3~HV1) para trazar curvas de endurecimiento superficial.
Norma: ISO 2639 define la profundidad de endurecimiento superficial como la distancia desde la superficie hasta el sustrato a 550HV1.

Análisis de microestructura

Estructuras microscópicas normales

Proceso de tratamiento térmico	Microestructura ideal
Cementación y Temple	Martensita acicular fina + menos del 10 % de austenita residual
Endurecimiento por inducción	Martensita criptocristalina + zona de transición uniforme
Temperado y revenido	Sorbite templado (distribución uniforme de carburos)

Defectos comunes y causas

Carbonitruración excesiva: red de carburos en la superficie, lo que aumenta la fragilidad y el riesgo de desprendimiento de la superficie del diente.
Quemaduras por rectificado: colores de revenido revelados por decapado (ASTM E1257), evitados mediante el control de la velocidad de avance y el uso de muelas de CBN.
Grietas por temple: propagación intergranular con extremos afilados (confirmado por MEB).

Nombre del defecto	Características microscópicas	Causas e impactos
Estructura de Widmanstätten	Ferrita acicular invadiendo granos	El sobrecalentamiento provoca una reducción de la tenacidad
Estructura bandada	Capas alternadas de ferrita y perlita	La segregación por colada-laminación causa anisotropía
Sobrecalentamiento	Oxidación o fusión en los límites de grano	Una temperatura de calentamiento excesivamente alta resulta en descarte total

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