hammer deburring failure of ccd machine

HAMMER DEBURRING FAILURE OF CCD MACHINE
Rodolfo Velazquez (1)
Leonardo Boccanera(1)
Ezequiel Pasquali(2)
Héctor Sbuttoni(2)
ABSTRACT
This paper analyzes the hammer deburring failure of CCD machine. All fracture presents a fatigue mechanism on
the head hammer originated during the start up and shutdown of deburring machine. Cracks on the hole were
propagated as a result of bend behavior. The material of hammer was a Cr-Si steel, 34 to 39 HRC and tempered
martensite with fine nodules of perlite and ferrite on grain edge, also it was observed superficial decarburization;
both defects shown a deficiency of the heat treatment material, decreasing the fatigue resistance. The producer
changes the material and increase the hardness showing an important improvement on the hammer performance.
Key words: failure analysis, fractography, metalography, fatigue, stress concentration.
(1)
Ternium Siderar-Centro Siderurgico General Savio - Casilla de Correo 801 (2900) Ramallo- Buenos Aires –
Argentina / [email protected] / [email protected]
(2)
Instituto Argentino de Siderurgia, Av. Central y Calle 19 Oeste, (2900) San Nicolás, Buenos Aires, Argentina.
[email protected] / [email protected].
4th IAS Conference on Uses of Steel, 2008, Rosario, Argentina
185
ROTURA DE MARTILLOS REBABADORES DE CCD
Rodolfo Velazquez (1)
Leonardo Boccanera(1)
Ezequiel Pasquali(2)
Héctor Sbuttoni(2)
RESUMEN
El artículo analiza la rotura de varios martillos de la máquina rebabadora utilizada en la salida de planchones de
CCD. Se observo que todas las roturas se inician por fatiga sobre la cabeza de los martillos, originada por los golpes
de éstos durante el arranque y la parada de la rebabadora. Esto produjo fisuras en los ojales que se propagaron
producto del aumento de los esfuerzos de flexión en esas zonas. El material utilizado en la fabricación de los
martillos es un acero Cr-Si de dureza 34 a 39 HRC con estructura metalográfica constituida por martensita revenida
con nódulos de perlita fina y restos de ferrita en borde de grano, además de apreciarse decarburación superficial.
Estas dos observaciones denotan que existió una deficiencia en el tratamiento térmico del material que como
consecuencia influencia en la resistencia a la fatiga. Por último se analizó las posibles mejoras a implementar y los
resultados obtenidos. Como resultado de esto, el proveedor cambia el material y aumenta la dureza del mismo
mostrando una diferencia importante en la performance de los mismo.
Palabras clave: análisis de falla, fractografía, metalografía, fatiga, concentradores de tensiones.
(1)
Ternium Siderar-Centro Siderurgico General Savio - Casilla de Correo 801 (2900) Ramallo- Buenos Aires –
Argentina / [email protected] / [email protected]
(2)
Instituto Argentino de Siderurgia, Av. Central y Calle 19 Oeste, (2900) San Nicolás, Buenos Aires, Argentina.
[email protected] / [email protected].
186
4th IAS Conference on Uses of Steel, 2008, Rosario, Argentina
1. INTRODUCCIÓN
Con el fin de determinar las posibles causas que originaron la rotura en servicio de varios martillos de una máquina
rebabadora utilizada en la salida de planchones de CCD.
La máquina rebabadora esta constituida por un eje central con seis ejes perimetrales donde están montados los
martillos. Cuando el sensor detecta el desbaste acciona el motor del eje central por lo que los martillos se despliegan
por fuerza centrifuga, luego se eleva el conjunto por medio de dos cilindros hidráulicos (uno en cada extremo del
eje) sobrepasando 3 mm el nivel de la mesa de rodillos, estos martillos impactan contra la rebaba desprendiéndola.
Al parar el motor el cuerpo del martillo impacta con el eje central. La CCD tiene dos líneas de salida de desbastes,
por lo que hay dos máquinas rebabadoras, la línea 1 y la línea 2.
Figura 1. Secuencia de trabajo de los martillos en la rebabadora.
Figure 1. Work secuence of the hammesr on the deburring machine.
2. DESARROLLO
El trabajo se realiza a través de estudios fractográficos, mediciones de dureza, ensayo no destructivo de partículas
magnetizables, análisis químico por espectrometría de emisión óptica, análisis metalográfico, comparación con
normas y búsqueda bibliográfica.
2.1. MUESTRAS
El estudio se lleva a cabo en martillos rotos y sanos. Inicialmente se recibieron 2 martillos provistos por el
solicitante, uno roto y otro sano (sin uso). También fueron incluidos 4 martillos con roturas, 4 con fisuras en la
cabeza visibles a simple vistas y 4 sin roturas ni fisuras aparentes.
Por otro lado, no se contaba con información del material ni de planos constructivos por ser un consumible de la
máquina y ser provistos por el proveedor de la misma.
3. RESULTADOS/METODOLOGÍA DE ANÁLISIS
3.1 Estudio fractográfico
El impacto sobre el eje central se da en la parada de la rebabadora en el punto 7 y 8 de la secuencia (Figura 1),
dejando una marca importante sobre éste (Figura 2a y 2b).
a)
b)
Figura 2. a) Marcas del desgaste sobre el eje línea 1. b) Marcas del desgaste por golpe sobre la línea 2.
Figure 2. a) Wear marks on the axis line 1.b) Wear marks by stroke on the line 2.
4th IAS Conference on Uses of Steel, 2008, Rosario, Argentina
187
Las marcas sobre el eje central de las rebabadoras son evidentemente muy distintas, siendo el desgaste mucho mayor
en el eje de la línea 1 donde se produjeron todas las roturas.
El 100 % de las roturas se inician sobre la cabeza de los martillos, la figura 3 muestra martillos rotos detectados al
momento de la parada de la línea.
Figura 3. Roturas sobre las cabezas de los martillos.
Figure 3. Failures on the heads of the hammers.
Por otro lado también se observan martillos con roturas y desprendimiento de una sección de los mismos, como se
detalla en la figura 4.
Figura 4. Detalle de los martillos con desprendimiento de una sección.
Figure 4. Details of hammers with a detachment of a section.
De la observación de los martillos se puede detectar:
1º - Martillos rotos con una sección de los mismos desprendida, figura 5a).
2º - Martillos rotos solo sobre la cabeza, figura 5b).
3º - Martillos sin fisuras ni roturas aparentes, figura 5c).
188
4th IAS Conference on Uses of Steel, 2008, Rosario, Argentina
Figura 5. a) Martillos con roturas y desprendimiento de una sección. b) Martillos con roturas sobre la cabeza de los
mismos. c) Martillos sin roturas ni fisuras visibles.
Figure 5. a) Hammers with failures and detachment of a section. b) Hammers with failures on is heads. c) Hammers
without visible cracks or failures.
En base a estas evidencias se efectuó una observación sobre las roturas que se producen sobre la cabeza de los
martillos. Todas ellas tienen su inicio sobre la zona central y por el fenómeno de fatiga [1]. La figura 6 muestra un
detalle de las muestras tomadas para estudio.
a)
b)
c)
d)
Figura 6. a) Roturas por fatiga sobre dos martillos. b) Detalle. c) Roturas en general del tipo frágil o por clivaje con
zona de fatiga más pequeña. d) Detalle.
Figure 6. a) Failures by fatigue on two hammers. b) Detail. c) Failures, in general, by clivaje with fragile or smaller
area of fatigue. d) Detail.
De los seis martillos rotos en estudio se pudieron observar 2 con claras marcas de playa, típicas de las roturas por
fatiga, figura 6 a/b). Las otras 4 superficies de fractura presentan un aspecto mayoritario de rotura frágil o por
clivaje, aunque se evidencia claramente sobre dos de ellas marcas en el inicio de las roturas que denotan fatiga,
(figura 6 d).
Teniendo en cuenta lo observado sobre los martillos rotos, se generó una hipótesis de cómo se producirían las
roturas en servicio de los mismos. El permanente golpe que se produce sobre la cabeza de los martillos generaría
pequeñas fisuras que luego progresan por fatiga hasta producir la 1º rotura, posteriormente y debido a que se
encuentra rota la cabeza del martillo, los esfuerzos de flexión son mucho más elevados y generarían la aparición de
4th IAS Conference on Uses of Steel, 2008, Rosario, Argentina
189
fisuras sobre los costados del martillo para luego provocar la segunda rotura y el desprendimiento en dos de los
martillos. En la figura 7 se explica esta hipótesis.
Figura 7. Secuencia de cómo se producirían las roturas de los martillos.
Figure 7. Sequence of how it would produce the failures of hammers.
Para corroborar esta hipótesis se efectuó ensayos no destructivos de partículas magnetizables sobre la totalidad de
los martillos muestreados. Mediante este ensayo se pudo observar que efectivamente algunas de las piezas golpeadas
en la cabeza y sin roturas presentan fisuras como se observa en la figura 8.
Figura 8. Fisuras detectadas sobre la cabeza de dos martillos.
Figure 8. Cracks found on the heads of two hammers.
También fue realizado un control con partículas magnetizables en las piezas con roturas en la cabeza (1º rotura),
pero sin que presenten evidencias de otras fisuras a simple vista. El ensayo también permitió ver que existen
pequeñas fisuras sobre los costados de los martillos que luego progresan por fatiga hasta romper en dos secciones la
pieza (figura 9).
190
4th IAS Conference on Uses of Steel, 2008, Rosario, Argentina
Figura 9. Fisuras sobre los costados de los martillos.
Figure 9. Cracks on the sides of the hammers.
3.2 Mediciones de Dureza
Se efectuaron mediciones de dureza en la escala Rockwell “C” [HRC] sobre distintos puntos de dos martillos
tomados al azar, la tabla 1 muestra los resultados.
Mediciones [HRC]
Promedio
Martillo 1
38,6
39,9
41,2
39,3
40,6
39,9
Martillo 2
35,8
33,0
32,0
34,5
35,1
34,1
Tabla 1. Dureza sobre dos martillos.
Table 1. Hardness on two hammers.
3.3 Análisis Químico
Se efectuó un análisis químico por espectrometría de emisión óptica, detallándose el resultado en la tabla 2.
///////////////
C
Mn
Si
P
S
Cr
Ni
Mo
Cu
Martillo 1
0,21
0,89
1,03
0,006
0,003
0,46
0,06
0,03
0,16
Martillo 2
0,23
0,89
1,03
0,007
0,003
0,46
0,06
0,03
0,16
Tabla 2. Composición química (%wt) de los martillos
Table 2. Chemical composition (wt%) of the hammers
Los martillos en estudio fueron fabricados a partir de un acero de bajo tenor de carbono aleado con cromo y silicio.
De acuerdo a su composición química no pudo ser encuadrado dentro de un grado de acero de las normas SAE o
DIN.
3.4 Análisis Metalográfico
Las observaciones mediante microscopio óptico en varias muestras de los martillos se puede apreciar que su
estructura metalográfica esta constituida por martensita revenida con pequeños nódulos de perlita fina, como detalla
la figura 10. Se aprecia además restos de ferrita en borde de grano como se muestra en la figura 11.
4th IAS Conference on Uses of Steel, 2008, Rosario, Argentina
191
Figura 10. a) Martensita revenida con pequeños nódulos de perlita fina en los martillos (256x). b) Detalle (640x).
Figure 10. a) Tempered martensite with small nodules of fine perlite on the hammers (256x). b) Detail (640x).
Figura 11. a) Restos de ferrita en borde de grano (640x). b) Detalle (1280x).
Figure 11. a) Remains of ferrite in grain boundaries (256x). b) Detail (640x).
Por otro lado se observa sobre los martillos descarburación superficial. Para el martillo usado esta descarburación es
menor en las zonas de trabajo removida por los golpes como consecuencia de su baja dureza y resistencia. La figura
12 muestra un detalle de la superficie descarburada de uno de los martillos.
Figura 12. Descarburación superficial sobre los martillos (256x).
Figure 12. a) Decarburization on the surface of the hammers (256x).
192
4th IAS Conference on Uses of Steel, 2008, Rosario, Argentina
4. CONCLUSIONES
Todas las roturas estudiadas se inician por el fenómeno de fatiga y sobre la cabeza de los martillos, donde éstos
golpean permanentemente entre arranque y parada. La secuencia de falla luego sigue sobre los costados de los
ojales, donde se generan fisuras y también avanzan por fatiga, producto del aumento de los esfuerzos de flexión en
esas zonas debido a la rotura inicial.
El material con el que se fabricaron los martillos de la rebabadora es un acero de bajo tenor de carbono aleado con
cromo y silicio, la dureza medida está en el rango de 34 a 39 HRC y poseen una estructura metalográfica constituida
por martensita revenida con nódulos de perlita fina y restos de ferrita en borde de grano, también se observa
descarburación superficial. Esta estructura revela que sobre los martillos se efectuó tratamiento térmico de temple y
revenido, aunque la presencia de ferrita en borde de grano y descarburación superficial denotan una deficiencia en el
mismo.
La presencia de descarburación superficial y restos de ferrita en borde de grano disminuyen la resistencia a la fatiga
del material.
Como consecuencia del estudio el proveedor cambia el material de los martillos y la dureza de los mismos
elevándola entre 44 a 47 HRC.
5. REFERENCIAS
[1] Metals Handbook.Volume 11 “Failure Analysis and Prevention” ASM Edition 1980.
[2] Metals Handbook.Volume 11 “Failure Analysis and Prevention” ASM Edition 2002.
4th IAS Conference on Uses of Steel, 2008, Rosario, Argentina
193