Preparación materialográfica de muestras producidas mediante tecnologías de impresión 3D

Proceso de preparación materialográfica

A continuación, mostraremos el proceso de preparación materialográfica de una muestra producida mediante fabricación aditiva. En materialografía, una muestra tomada de una pieza de trabajo se denomina espécimen.

Un examen materialográfico típico incluye los siguientes pasos:

• Seccionamiento, por ejemplo, con una cortadora abrasiva.
• Montaje que ofrece varias ventajas para una preparación posterior.
• Esmerilado/pulido para la preparación de la microestructura.

Examen realizado por:

• Ensayo de dureza
• Análisis de imágenes

Configuración de la máquina de corte. Detalle: muestra sujeta (herramienta de sujeción: tornillo de banco vertical simple).

Para este artículo se investigó una muestra de acero (X6Cr17, número de material: 1.4016) fabricada mediante soldadura por acumulación de polvo láser aditiva. El primer paso consistió en obtener una pieza de muestra más pequeña (=espécimen) que fuera representativa de la pieza de trabajo completa. Esto se logró utilizando la cortadora de precisión de QATM con una cuchilla fina de CBN (nitruro de boro cúbico) (espesor de la rueda: 0,65 mm, diámetro de la rueda: 153 mm).

El corte se realizó con un corte directo pulsado (0,2 mm hacia delante y 0,2 mm hacia atrás) con una velocidad de avance de 1 mm/s y una velocidad de rotación de 4500 rpm.

Después del corte, la muestra se montó en un material de montaje en caliente (Epo black) con una prensa de montaje en caliente para obtener una muestra más fácil de manejar. El montaje se llevó a cabo a una presión de 200 bar durante 6 minutos a 180 °C, seguido de un ciclo de enfriamiento de 6 minutos. Otra ventaja es el alto grado de paralelismo de las muestras montadas de 51 µm ±1 µm (las tolerancias se basan en el calibre utilizado para las mediciones de altura de las muestras). Las muestras montadas se rectificaron (fuerza individual) y pulieron (fuerza individual) posteriormente con una máquina semiautomática de rectificado y pulido.

El proceso de rectificado se dividió en dos pasos. El primero fue el rectificado plano con papel abrasivo de carburo de silicio (SiC) de grano P240 para eliminar todas las deformaciones causadas por el proceso de corte. A continuación, se rectificó con papel SiC de grano P600 para alisar la superficie para los pasos de pulido posteriores. En primer lugar, la muestra se prepulía con un paño de pulido duro Galaxy BETA y una suspensión de diamante policristalino de 9 µm, seguido de un paño de dureza media fabricado en seda y una suspensión de diamante policristalino de 3 µm. La última etapa, denominada pulido final, se realizaba con un paño de pulido sintético suave y Eposil M.

Los parámetros detallados de preparación se indican en esta tabla:

A partir de esta secuencia de preparación, se obtuvo una superficie de muestra finamente pulida. La figura 1 muestra una imagen tomada con un microscopio óptico incidente (luz incidente) con un aumento de 100.

Dado que la luz se refleja de forma casi uniforme en toda la superficie de la muestra, la microestructura permanece invisible. Debido a la naturaleza del ojo humano, se necesita una diferencia mínima de contraste del 10 % para que el contraste sea visible en cualquier superficie. Este contraste se consigue mediante el grabado. En nuestro ejemplo, se utilizó el grabador «V2A Beize» para decapar y contrastar la superficie mediante el grabado selectivo de las diferentes fases del acero X6Cr17 investigado. El grabado se realizó durante 45 segundos y la microestructura es muy bien discernible, como se puede ver en la imagen.

La microestructura también se contrastó bien en el centro de la superficie de la muestra, lo que indica que toda la superficie preparada se contrastó correctamente, como se muestra en la imagen. figura 2

Otros exámenes, como los ensayos de dureza, requieren una superficie plana y lisa para proporcionar resultados fiables y significativos. El proceso de preparación materialográfica descrito anteriormente garantiza que la muestra sea ideal para los ensayos de dureza. QATM ofrece el Qness 60 A+ para este fin, un potente instrumento para ensayos de microdureza y evaluación óptica.

La superficie pulida de la figura 1 muestra varias grietas. El borde recto de la izquierda se ha conseguido mediante fresado. El contorno de las costuras soldadas no es visible. Para un examen más detallado, se ha mejorado el contraste mediante grabado. La superficie grabada se muestra en la figura 2. Presenta más grietas y las manchas de color indican zonas sobregrabadas cerca de varias grietas debido a residuos del grabado. Las costuras soldadas, que tienen diferentes dimensiones, son bien visibles. La técnica de deposición capa por capa efectúa el tratamiento térmico de la capa subyacente. Se forma una zona afectada por el calor (HAZ) que provoca un cambio en la microestructura, lo que afecta a las propiedades de la muestra. Por ejemplo, la dureza puede reducirse, lo que da lugar a una tensión mecánica. A medida que se depositan capas de diferente dureza unas sobre otras, la tensión mecánica aumenta continuamente y puede dar lugar a las denominadas grietas secundarias.

Una de las razones de la formación de grietas primarias son los gradientes de enfriamiento durante la deposición. La figura 3 muestra una ampliación de los cordones de soldadura individuales y sus correspondientes zonas afectadas por el calor. Los ensayos de dureza pueden revelar las diferencias de dureza de las capas depositadas.

figura 1: Imagen de la superficie de la muestra preparada. Debido al pulido de la superficie, la luz se refleja de manera casi uniforme y la microestructura no es discernible.

figura 2: Muestra grabada con «V2A Beize» (durante 45 s). Sección del borde. La microestructura es claramente discernible.

figura 3: Muestra contrastada. La microestructura soldada de la pieza fabricada es claramente visible.