Introducción al proceso de shot peening

El shot peening se aplica sobre componentes sometidos a esfuerzos cíclicos de flexión o torsión, donde la resistencia a la fatiga es crítica. Las aplicaciones más comunes son:

- Industria automotriz y de transmisiones: engranajes, piñones y coronas de caja de cambios, levas, cigüeñales, bielas, barras de torsión, diafragmas y discos de embrague.
- Resortes y elásticos: resortes helicoidales, de válvulas y ballestas.
- Petróleo y gas: varillas de bombeo (sucker rods), conexiones de tubos roscados y ejes de herramientas de perforación.
- Aeronáutica: componentes de aeronaves y compresores axiales.
- Minería y herramientas: componentes de minería, taladradores de roca, varillas de pistón, pernos y barras laterales de cadenas.

En shot peening el abrasivo debe ser esférico: solo una partícula redondeada genera el efecto de martillado sin dañar la superficie. Con esa única condición, los abrasivos más utilizados son los siguientes.}

Granalla de acero fundida (esférica)
• Acero al carbono o inoxidable; con el tratamiento térmico adecuado combina buena dureza y aceptable resistencia a la rotura.
• Más económica que la granalla de alambre cortado.
• Tamaños normalizados según norma SAE J444.

Granalla de alambre cortado acondicionado (Conditioned Cut Wire, CCW)
• Se fabrica cortando alambre en cilindros y luego acondicionándolo (redondeando los cantos) hasta una forma casi esférica.
• El grado de acondicionamiento es clave: va desde la cortada sin acondicionar (CW) —cilíndrica, con cantos vivos— hasta la totalmente acondicionada, prácticamente esférica. A mayor grado, más esférica la partícula, mayor vida útil y mejor desempeño en fatiga (suele designarse en grados crecientes, p. ej. G1 → G2 → G3 según el fabricante).
• Excelente dureza con muy bajo nivel de rotura → bajo consumo y granulometría constante.
• Tamaños normalizados según norma SAE J441.

Granalla de fundición de hierro (esférica y nodular)
• Fundición gris, blanca y maleable; opción de bajo costo inicial.
• Vida útil menor que la de acero por su mayor fragilidad (la rotura es crítica en shot peening).
• La nodular se usa de forma muy limitada: baja dureza, intensidades pobres y deja residuos de grafito.

Microesfera de vidrio o cerámica (glass bead)
• Para intensidades bajas y conformado de chapas delgadas.
• Indicada en acero inoxidable y materiales no ferrosos que no deben contaminarse con abrasivo de acero al carbono.

La efectividad y la calidad del shot peening dependen del control estricto de un conjunto de variables: el tamaño y la dureza del abrasivo, la velocidad de impacto, la intensidad, la densidad de impactos (cobertura), el ángulo y la distancia de proyección, y el porcentaje de rotura de la granalla.

Tamaño de la granalla
• Define la energía cinética del impacto. A mayor tamaño, mayor intensidad pero menor densidad de impactos.
• Se elige siempre el menor tamaño que logre la intensidad deseada → proceso más rápido y mejor cobertura.
• El diámetro debe ser compatible con los menores radios de curvatura de la pieza.

Dureza de la partícula
• Mientras sea más dura que la superficie, no influye en la intensidad.
• Conviene que sea solo algo superior: si es demasiado dura, se vuelve frágil y aumenta la rotura.
• Si es más blanda que la superficie, la intensidad lograda cae.

Velocidad de la partícula
• A mayor velocidad, mayor energía cinética y mayor intensidad.
• Pero el exceso de velocidad aumenta la fractura de partículas, lo que frena el aumento real de intensidad.

Ángulo y distancia de proyección
• El ángulo ideal es 90° (perpendicular); al reducirse, baja la intensidad.
• Si por geometría debe ser menor a 90°, se compensa aumentando tamaño y/o velocidad de la granalla.
• A mayor distancia, menor intensidad: se fija un valor y se mantiene durante todo el proceso.

Porcentaje de rotura
• Solo las partículas esféricas deben impactar; las rotas se extraen del circuito automática y rápidamente.
• Debe mantenerse un alto porcentaje de abrasivo esférico para sostener la intensidad requerida.

La intensidad del shot peening se mide con un ensayo normalizado: el ensayo Almen (norma SAE J442). Consiste en exponer una placa metálica delgada (placa Almen) al flujo de partículas; el martillado comprime los granos de la cara expuesta y aumenta su área, mientras la cara opuesta conserva la original. Esa diferencia curva la placa, y la altura del arco resultante es la medida de la intensidad. Para una densidad de impactos de saturación, la intensidad depende de la velocidad, el tamaño y la dureza de la partícula, y del ángulo y la distancia de proyección. Como regla, la menor intensidad capaz de producir el efecto buscado es la más eficiente y económica.

La placa Almen y los rangos N, A y C
• Se usa una placa Almen patrón, fijada sobre una base con cuatro bolillas de apoyo.
• Tres rangos según el espesor de la placa: N, A y C (de menor a mayor intensidad).
• El resultado se expresa con el número del comparador + la letra de la placa: p. ej. 13 A = intensidad 13 en placa tipo A.
• El comparador se gradúa en milésimas de pulgada (0,025 mm).

Densidad de impactos (factor de cobertura)
• Indica qué porcentaje de la superficie fue impactado por las partículas.
• La saturación se alcanza cerca del 100 %; con cobertura insuficiente no se obtiene la mejora de fatiga buscada.
• La cobertura crece con el tiempo de exposición según la relación Cₙ = 1 − (1 − C₁)ⁿ, donde C₁ es la cobertura de un ciclo y n el número de ciclos.
• Como medir por encima del 98 % es impreciso, ese valor se toma como referencia de saturación y la cobertura se expresa como múltiplo del tiempo necesario para alcanzar el 98 %.

Punto de saturación
• Se traza la curva altura de arco vs. tiempo de exposición a distintos tiempos.
• El punto de saturación aceptado en la industria se alcanza cuando, al duplicar el tiempo de exposición, la altura del arco aumenta menos del 10 %.

La aplicación principal del shot peening es el aumento de la resistencia a la fatiga, pero el proceso aporta además otros beneficios y tiene condiciones de uso que conviene respetar.

Aumento de la resistencia a la fatiga
• Eleva considerablemente la vida a fatiga de resortes, flejes, engranajes, barras y herramientas (fresas, mechas, punzones, matrices).
• Es el efecto buscado en todo componente sometido a esfuerzos cíclicos de flexión o torsión.
Conformado de metales (peen forming)
• Permite conformar chapas delgadas de forma controlada, sin las altas tensiones residuales del conformado mecánico en frío o en caliente.
• Muy usado en componentes estructurales aeronáuticos, como chapas de fuselaje.

Eliminación de tensiones residuales
• Transforma las tensiones residuales de tracción —dejadas por tratamiento térmico, conformado o mecanizado— en una compresión uniforme en toda la superficie.
• Aumento de la resistencia a la corrosión
• Al cerrar los espacios intergranulares y eliminar las tensiones de tracción, reduce la energía del sistema y, con ello, la propensión a la corrosión.

Secuencia correcta y procesos posteriores
El shot peening se realiza siempre después del tratamiento térmico y del rectificado, nunca antes (la excepción son las aplicaciones sobre zonas de soldadura). Además, las piezas tratadas no deben someterse luego a deformaciones mecánicas, calentamientos (salvo muy leves), mecanizados ni pulidos, ya que la capa comprimida es de muy poco espesor; solo se admite un pasivado superficial como protección anticorrosiva.