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Fragilización por hidrógeno
El fallo inesperado del tornillo causa daños al producto final y elevados costes. Existen muchas razones que pueden provocar la rotura de un tornillo y la fragilización por hidrógeno es una de ellas.
La fragilización por hidrógeno (HE), también conocida como hidrogenación, es una pérdida permanente de ductilidad de un metal o aleación causada por la oclusión de átomos de hidrógeno en la estructura metálica que, en combinación con una carga o esfuerzo de tracción, puede provocar una rotura del tornillo después de cierto tiempo (rotura diferida).
Esta rotura diferida del tornillo no es detectable con signos visibles y puede ocurrir unas horas después del montaje o los próximos días. No sucederá inmediatamente después de la instalación del tornillo ni meses después.
Existen dos tipos de fragilización por hidrógeno en función de la fuente de aporte de hidrógeno. La fragilización por hidrógeno interna (IHE) está provocada por el hidrógeno residual absorbido durante la fabricación del acero y/o durante el proceso de fabricación del tornillo, como pueden ser los procesos de limpieza y recubrimiento electrolítico.
La fragilización ambiental por hidrógeno (EHE) está causada por la introducción de hidrógeno en el metal desde fuentes externas mientras está bajo esfuerzos de tensión durante la vida útil del tornillo.
1. ¿Por qué ocurre el fallo por fragilización por hidrógeno?
2. ¿Cómo se produce la fragilización por hidrógeno?
3. ¿Cómo minimizar el riesgo de fragilización interna por hidrógeno de un tornillo?
4. Cómo CELO puede ayudar a prevenir la hidrogenación en sus ensamblajes
5. Métodos para la detección de la fragilización por hidrógeno
¿Por qué ocurre el fallo por fragilización por hidrógeno?
Para que un tornillo sufra una rotura por hidrogenación, deben estar presentes al mismo tiempo tres condiciones elementales tal y como se muestran en el diagrama de Venn:
¿Aún tienes dudas? Déjanos ayudarle a reducir el riesgo
¿Cómo se produce la fragilización por hidrógeno?
La fragilización por hidrógeno generalmente ocurre a través de un proceso de 3 pasos:
1. Absorción de hidrógeno: Las aleaciones de acero al carbono pueden absorber átomos de hidrógeno durante el proceso de fabricación del acero y del tornillo: limpieza con ácido, tratamiento electrolítico o la exposición a entornos que contienen hidrógeno.
2. Difusión: Los átomos de hidrógeno absorbidos son muy móviles y pueden difundirse a las áreas de mayor tensión, como los límites de grano, dislocaciones, inclusiones... El hidrógeno forma vacíos en los límites de grano de la estructura metálica. El resultado de la difusión de hidrógeno en el metal es una pérdida de ductilidad, haciéndolo más frágil y susceptible al agrietamiento.
3. Fragilización: Cuando el tornillo se expone a un alto esfuerzo de tracción durante un tiempo suficiente, estos vacíos ejercen una presión adicional sobre los granos de metal, formando grietas iniciales que crecen a lo largo de los límites de grano debilitados hasta que el tornillo finalmente se rompe.
1. Absorción de hidrógeno
2. Hidrógeno en las zonas de mayor tensión como límites de grano, dislocaciones o inclusiones
3. La tensión aumenta y puede llevar al agrietamiento
Cuando se inicia una fisura bajo esfuerzos de tracción, hay una alta concentración de tensión en el extremo de la fisura. Si hay suficiente hidrógeno, éste interactúa con la punta de la fisura y comienza la propagación de la fisura hacia los límites de grano. (Fig 1.)
¿Cómo minimizar el riesgo de fragilización interna por hidrógeno de un tornillo?
La fragilización por hidrógeno no es visual ni predecible, aunque los procesos de fabricación están optimizados para minimizar el riesgo, no existe un método de producción que pueda garantizar su eliminación completa.
- Las normas para tornillos galvanizados ISO 4042 y ASTMF1941/F1941M clasifican los tornillos susceptibles de hidrogenación y, por lo tanto, que requieren un proceso de deshidrogenado (horneado) obligatorio, como aquellos que tienen una dureza mínima superior a 390 HV. La norma ISO 4042 especifica las condiciones del proceso de deshidrogenado a una temperatura de 190 °C a 230 °C hasta 24 horas (dependiendo del tamaño y la resistencia/dureza del tornillo). Este proceso no eliminará por completo la fragilización interna por hidrógeno, pero reduce en gran medida su riesgo. (Fig 2.)
El proceso de recubrimiento electrolítico genera hidrógeno que puede ser absorbido por el tornillo. El objetivo del deshidrogenado es extraer la mayor cantidad de hidrógeno posible por efusión y migrar el resto para que queden atrapados en la estructura de acero y así inmovilizarlos. De esta manera se reduce la cantidad de hidrógeno móvil que es el que provoca la fragilización por hidrógeno.
- Para tornillos con alto riesgo de fragilización por hidrógeno en aplicaciones con altos requerimientos mecánicos se recomienda utilizar recubrimientos orgánicos por la ausencia electrólisis durante el proceso de recubrimiento.
Cómo CELO puede ayudar a prevenir la hidrogenación en sus ensamblajes
La rotura por hidrogenación ocurre de manera impredecible y los esfuerzos para evitarlo deben realizarse durante la fase de diseño y fabricación.
Los ingenieros de aplicaciones de CELO ayudan a nuestros clientes a evitar el fallo por fragilización por hidrógeno en sus ensamblajes al:
- Recomendar el material con menor susceptibilidad a la fragilización por hidrógeno
- Optimizar el diseño de las uniones para reducir los esfuerzos de tracción, cizalladura y flexión
- Seleccionar el recubrimiento adecuado del tornillo que cumpla con los requisitos de resistencia a la corrosión
Muchos recubrimientos como el cincado (ASTMB633) crean una barrera alrededor del tornillo que no permite que el hidrógeno se difunda fácilmente fuera del tornillo. Recubrimientos más porosos asegurarán una mayor emisión de hidrógeno, minimizando los riesgos de fragilización.
Sabemos cómo ayudarle
Nuestros ingenieros de aplicaciones pueden ayudarle a decidir cuál es el mejor recubrimiento que cumpla con los requisitos de corrosión.
Métodos para la detección de la fragilización por hidrógeno
La norma internacional ISO 15330:1999 describe el procedimiento para detectar la aparición de fragilización por hidrógeno de tornillos a temperatura ambiente. El propósito de esta prueba es introducir un nivel de estrés que pueda acelerar el proceso de fragilización y revelar una susceptibilidad al agrietamiento inducido por hidrógeno.
En los laboratorios de CELO realizamos esta prueba, debe ser solicitada por adelantado y durante la definición del tornillo.