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EVALUACION DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE ABRASIVO EN 3 MATERIALES UTILIZADOS EN LA INDUSTRIA MINERA
FOUNCY KHALLETH TRELLEZ PALACIOS
NELSON DANIEL ORTIZ ACUÑA
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
TECNOLOGIA MECÁNICA
BOGOTÁ
2016
EVALUACION DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE ABRASIVO EN 3 MATERIALES UTILIZADOS EN LA INDUSTRIA MINERA
FOUNCY KHALLETH TRELLEZ PALACIOS
NELSON DANIEL ORTIZ ACUÑA
Tesis para optar al título de tecnólogo mecánico
Tutor
M.Sc. Jonny Ricardo Dueñas Rojas
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
TECNOLOGIA MECÁNICA
BOGOTÁ
2016
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CONTENIDO
RESUMEN ............................................................................................................... 7
INTRODUCCIÓN ..................................................................................................... 8
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................... 9
1.1 ESTADO DEL ARTE ........................................................................................ 10
1.2 JUSTIFICACIÓN .............................................................................................. 14
2. OBJETIVOS .................................................................................................... 15
2.1 OBJETIVO GENERAL .................................................................................. 15
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ........................................................................ 15
3. MARCO TEÓRICO .......................................................................................... 16
3.1 TRIBOLOGÍA ................................................................................................ 16
3.1.1 Desgaste ................................................................................................... 16
3.1.2 Desgaste Abrasivo ..................................................................................... 17
3.2 NORMA ASTM G65 ...................................................................................... 20
4. METODOLOGÍA .............................................................................................. 21
5. MATERIALES Y METODOS ........................................................................... 23
5.1 MATERIALES UTILIZADOS ......................................................................... 23
5.2 MÉTODOS ................................................................................................... 24
5.2.1 Caracterización metalográfica ................................................................... 24
5.2.2 Prueba de microdureza Vickers y dureza Rockwell ................................... 25
5.2.3 Caracterización de la arena de procedencia local ..................................... 25
5.2.4 Comprobación de la dureza del caucho de la rueda según norma ASTM G65 ..................................................................................................................... 26
5.2.5 Flujo de Arena en la máquina de desgaste abrasivo ASTM G65 .............. 27
5.2.6 Procedimientos para la toma de prueba de desgaste abrasivo según la norma ASTM G65 ............................................................................................... 28
5.2.7 Parámetros antes de iniciar la prueba de desgaste abrasivo ASTM G65 .. 28
5.2.8 Realización de la prueba de desgaste abrasivo ASTM G65 ...................... 30
6. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ........................................................................ 32
6.1 RESULTADOS DE LOS ENSAYOS METALOGRÁFICOS: .......................... 32
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6.1.1 Caracterización del acero maxdur 450 mediante microscopia óptica y microscopia electrónica de barrido SEM con EDS. ............................................ 32
6.1.2 Caracterización del acero Hadfield al manganeso mediante microscopia óptica y microscopia electrónica de barrido SEM con EDS. ............................... 35
6.1.3 Caracterización del Hierro Alto Cromo mediante microscopia óptica y microscopia electrónica de barrido SEM con EDS. ............................................ 38
6.2 RESULTADOS DE MICRODUREZA ............................................................ 41
6.3 RESULTADOS PRUEBA DESGASTE ABRASIVO PARA CADA MATERIAL ........................................................................................................................... 42
7. CONCLUSIONES ............................................................................................ 45
8. BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................... 46
9. ANEXOS ......................................................................................................... 48
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LISTA DE TABLAS
Tabla 1: Dimensiones de las tres probetas para cada material ............................. 23 Tabla 2: Ataque químico utilizado en cada material. .............................................. 24
Tabla 3: Caracterización granulométrica de la arena 40/60 ................................... 26 Tabla 4: Dureza caucho de la rueda maquina desgaste abrasivo ASTM G65 ....... 27 Tabla 5: Medición flujo de la arena ........................................................................ 27 Tabla 6: Parámetros de prueba para el desgaste abrasivo ASTM G65 para el procedimiento B ..................................................................................................... 28 Tabla 7: Calculo del tiempo para cumplir con una abrasión lineal total de 1436m como mínimo ......................................................................................................... 29
Tabla 8: Composición química de los elementos predominantes del Acero Maxdur 450 ......................................................................................................................... 34
Tabla 9: Composición química de los elementos predominantes del Acero Hadfield al Manganeso ........................................................................................................ 37
Tabla 10: Composición química de los elementos predominantes del Hierro Alto Cromo .................................................................................................................... 40 Tabla 11: Microdureza de los tres materiales analizados ...................................... 41
Tabla 12: Resultados prueba desgaste abrasivo ASTM G65 de todos los materiales .............................................................................................................. 42
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Desgaste abrasivo debido a las partículas duras ................................... 18 Figura 2: Apariencia de una superficie sometida al desgaste abrasivo ................. 18
Figura 3: Desgaste abrasivo a) a de los cuerpos y b) a tres cuerpos .................... 19 Figura 4: Mapa esquemático de la metodología .................................................... 21 Figura 5: Sistema de sujeción de las probetas en máquina de desgaste abrasivo. Elaboración propia. ................................................................................................ 24
Figura 6: Encapsulado de los tres tipos de materiales, siendo los colores: negro acero Hadfield al manganeso, verde acero Maxdur 450, rojo Hierro alto cromo. Elaboración propia. ................................................................................................ 25
Figura 7: Caracterización granulométrica de la arena 40/60 ................................. 26 Figura 8: Caucho de la rueda maquina desgaste abrasivo ASTM G65. Elaboración propia. .................................................................................................................... 27 Figura 9: Flujo laminar de la arena en operación normal de la máquina de desgaste abrasivo ASTM G65. Elaboración propia. .............................................. 28 Figura 10: Balanza de precisión para medir la masa de cada probeta. Elaboración propia. .................................................................................................................... 30
Figura 11: Acero Maxdur 450 aumento 100X ........................................................ 32 Figura 12: Acero Maxdur 450 aumento 500X ........................................................ 32
Figura 13: Microscopia electrónica de barrido Acero Maxdur 450 ......................... 33 Figura 14: Grafica composicional química del Acero Maxdur 450 ......................... 34
Figura 15: Acero Hadfield aumento 100X .............................................................. 35 Figura 16: Microscopia electrónica de barrido Acero Hadfield al Manganeso ....... 36
Figura 17: Grafica composicional química del Acero Hadfield al Manganeso ....... 37 Figura 18: Hierro Alto cromo aumento 100X .......................................................... 38 Figura 19: Hierro Alto Cromo 200X ........................................................................ 38
Figura 20: Microscopia electrónica de barrido Hierro Alto Cromo .......................... 39 Figura 21: Grafica composicional química del Hierro Alto Cromo .......................... 40
Figura 22: Comparativo microdurezas de los tres materiales ................................ 41 Figura 23: Comparativo resistencia al desgaste abrasivo de los tres materiales ... 43
Figura 24: Comparativo perdida de volumen vs Dureza (HV) ................................ 43
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RESUMEN
Este es un proyecto que busca evaluar la resistencia al desgaste abrasivo en materiales comúnmente utilizados en la industria minera y movimiento de tierras, como lo son el acero Hadfield al manganeso, acero Maxdur 450 y Hierro alto cromo. Durante la elaboración de este proyecto se realizaron estudios y pruebas respecto a la resistencia al desgaste abrasivo de los materiales anteriormente mencionados, teniendo en cuenta factores como tenacidad, dureza, estructura, corrosión presente, modo y tipo de carga, composición química, rugosidad de la superficie, distancia recorrida, velocidad, etc. Expresándolos mediante un marco conceptual y de referencia, la metodología con la cual se procedió en este proyecto y las actividades desarrolladas.
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INTRODUCCIÓN
El desgaste abrasivo es uno de los tantos tipos de desgaste existentes que hacen parte de la tribología y de hecho es uno de los más relevantes ya que la industria mecánica se enfrenta diariamente al desgaste superficial en los componentes. La selección de un material que vaya a ser utilizado para un componente mecánico expuesto al desgaste abrasivo es muy importante, ya que, debido a su estructura metalográfica y propiedades mecánicas se podrá conocer la resistencia que este material puede poseer frente al desgaste abrasivo, de esta manera, podríamos determinar la vida útil para que preste un buen servicio para el que fue diseñado, por tal razón este proyecto ayudara a determinar cuál de estos materiales como lo son: acero Hadfield al manganeso, acero Maxdur 450 y Hierro alto cromo, se comportara mejor frente a situaciones en donde el desgaste abrasivo sea un factor decisivo.
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1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Uno de los aspectos más importantes de las empresas es el buen manejo de la contabilidad de los costos. Es imprescindible que las empresas, independientemente de la magnitud que tengan, deban conocer todas las características y pasos de la elaboración de su bien o servicio para el buen control de los costos aplicables en todo su proceso de producción. Es, sin ninguna duda, una parte importante dentro de la contabilidad analítica de la empresa obtener un buen servicio de calidad, gastando la menor cantidad de dinero posible. En la industria los materiales que están siendo sometidos a trabajar en ambientes altamente abrasivos, son materiales que en el proceso de mantenimiento ocupan un gran factor, por la necesidad de remplazarlos es mucho más frecuente por las cargas que tienen que soportar. Si se seleccionan los materiales dependiendo del ambiente abrasivo al que van estar sometidos, se puede seleccionar un material adecuado para bajar los costos y reducir el nivel de mantenimiento, hay casos en los que se selecciona un material muy duradero y resistente pero a su vez muy costoso para un trabajo muy corto o con bajos requerimientos, esto conlleva a un desperdicio de material y el aumento de los costos.
Por ende la importancia de determinar específicamente las propiedades de los materiales, así poder estimar cual va a sufrir un desgaste prematuro y establecer cuáles de estos materiales son susceptibles a remplazarlos más a menudo.
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1.1 ESTADO DEL ARTE
A continuación se muestran cinco trabajos relacionados al tema que se va a tratar en esta investigación por desgaste abrasivo: Ting Sun, et al. de la Universidad de ciencias y tecnología de Beijing, China, realizaron estudios frente al comportamiento de este material al desgaste abrasivo de hierro con alto contenido en cromo (que contiene 12% de cromo) austenizado a 1050 °C durante 2 horas, y Austemperizada en baño de sales a 320 ºC evaluada por 4 horas. El desgaste abrasivo se realizó utilizando abrasivo de alúmina en cuatro cargas diferentes, 50, 100, 150, y 200 N, para 36000 ciclos. Las superficies desgastadas y los desechos se analizaron por microscopía electrónica de barrido, microscopía laser con focal y rayos X. Perfiles de Micro dureza también se obtuvieron con el fin de analizar los efectos de endurecimiento por deformación bajo las superficies de contacto. Los resultados indican que la austenita retenida en el alto contenido de cromo de hierro fundido ha experimentado transformación martensítica inducida después de las pruebas, para pequeñas cantidades de austenita retenida podrían ser detectados por difracción de rayos x. Además, existe una estrecha relación entre el mecanismo de desgaste y la carga de prueba. Bajo la condición de prueba de cargas menores, el mecanismo de desgaste es un proceso continuo y repetido, durante el cual se corta la matriz y después los carburos finos se desprenden en forma de escamas. En cuanto a la carga más alta de ensayo, el rayado y el astillamiento es inducido por fractura de los bloques de carburo que son el mecanismo de desgaste.1 Chen Yunxia, et al. de la universidad de Beihang en Beijing, investigaron el comportamiento entre el mecanismo de desgaste abrasivo y adhesivo de las válvulas de carrete aero-hidraulicas. Las fugas debido al desgaste es uno de los principales modos de fallo de las válvulas de distribución aero-hidráulico. En este trabajo se estableció un modelo de desgaste de acoplamiento práctico para las válvulas de carrete aero-hidráulicas basado en la teoría de modelado de sistemas dinámicos. En primer lugar, el experimento para la verificación del mecanismo de desgaste demostró que el
1 SUN, T., SONG, R.-b., WANG, X., DENG, P., & WU, C.-j. (14 de Noviembre de 2013). Recuperado el 22 de Marzo de 2016, de Science Direct: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1006706X15600140
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desgaste adhesivo y el desgaste abrasivo coexistieron durante el proceso de trabajo de las válvulas de distribución. En segundo lugar el comportamiento de acoplamiento de cada mecanismo de desgaste se caracterizó mediante el análisis de variación-tiempo real de los parámetros del modelo durante la evolución del proceso de desgaste. Mientras tanto, el modelo Archard y de los tres cuerpos modelo de desgaste abrasivo se utilizaron para el desgaste adhesivo y el desgaste abrasivo, respectivamente. Además, su modelo de desgaste de acoplamiento se estableció mediante el cálculo del volumen de desgaste real. Por último, a partir del resultado de prueba formal, se obtuvieron todos los parámetros necesarios para este modelo. También se presentó el error relativo entre as predicciones del modelo y los datos de pre-prueba para verificar la exactitud de modelo, lo que demuestra que este modelo fue útil para proporcionar una predicción precisa de la vida útil de la válvula de carrete.2 El tercer trabajo realizado por Balaji Narayanaswamy, et al. del instituto de materiales de la universidad Deakin en victoria, Australia, fue la comparación del comportamiento del desgaste abrasivo en cuatro microestructuras ferrosas diferentes pero con niveles de dureza similares. La investigación giro entorno a la resistencia al desgaste abrasivo de cuatro microestructuras distintas metalúrgicas de acero, la bainita, perlita, martensita y martensita templada, con niveles de dureza similares. Un tribómetro de disco se utilizó para simular la condición abrasiva de dos cuerpos (es decir, la superficie metálica de abrasión contra las partículas abrasivas de carburo de silicio) y evaluar la tasa de desgaste específico de las microestructuras. Cada microestructura tenía una respuesta única hacia el comportamiento de abrasión y esto fue en gran parte evidente en la curva de fricción. Sin embargo, las microestructuras de fases múltiples (es decir, bainita y perlita) demostraron una mejor resistencia a la abrasión que las microestructuras de una sola fase (es decir, martensita y martensita templada). La abrasión indujo cambios micro estructural en las superficies deformadas que fueron estudiadas a través del subsuelo y las técnicas topográficas. Las propiedades de estas capas (es decir, superficie de las mediciones del perfil) determinaron la cantidad de pérdida de material para cada microestructura. Estos
2 YUNXIA, C., WENJUN, G., & RUI, K. (2015 de Noviembre de 26). Recuperado el 22 de Marzo de 2016, de Science Direct: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1000936116000078
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están directamente relacionadas con el análisis de la huella de desgaste simple que se resalta en la diferencia con la marca que deja el arranque de material. Los modos de formación del arado y de cuña son dominantes en el caso de las microestructuras de bainita y perlita, mientras que el modo de corte podría atribuirse a la pérdida de mayor material en las microestructuras de una sola fase. La combinación de fases frágiles y dúctiles en la matriz de microestructura de múltiples fases podría ser uno de los principales factores de su resistencia a la abrasión.3 Ali Nasajpour, et al. del departamento de materiales, ciencia e ingeniería de la universidad tecnológica de Sahrif en Tehran, Iran. Analizaron el efecto en las propiedades mecánicas y el desgaste abrasivo por el molibdeno con recubrimiento en un acero hadfield con soldadura por arco de tungsteno por protección de gas, su investigación y estudio se visualizó en torno a la variación de la microestructura, el rendimiento y la resistencia a la rotura, el índice de endurecimiento por deformación, y resistencia al desgaste abrasivo del acero Hadfield revestido sobre el acero ST40 por el proceso de soldadura por arco de tungsteno con núcleo fundente protegido por gas argón. La composición química del acero Hadfield Cladded contiene carbono, manganeso y silicio. La cantidad de carbono, manganeso y silicio es constante en todos los experimentos, y la cantidad de molibdeno varió de 0 a 2,2 por ciento. Por lo tanto se analizó la microestructura de las muestras con el microscopio óptico y fractografia (fractura del material en la superficie) con SEM, así como las fases formadas con difracción de rayos X y rayos X de dispersión de energía (EDX). La inspección de las propiedades mecánicas y ensayos de tracción e impacto, se llevaron a cabo. Resistencia al desgaste abrasivo se midió por el aparato de la rueda de arena / caucho seco. Los resultados mostraron que cuanto mayor sea el porcentaje de molibdeno es mayor el rendimiento y la resistencia a la rotura, mientras que el índice de endurecimiento por deformación no disminuya. Al aumentar el porcentaje de molibdeno, la energía de impacto de las muestras y la resistencia al desgaste abrasivo también han aumentado.4 Ronaldo Camara Cozza desarrollo su investigación en el efecto de la distancia de deslizamiento en modelos de transición de desgaste abrasivo. Se llevaron a cabo ensayos de desgaste con la bola que da la formación de cráteres como muestras 3 NARAYANASWAMY, B., HODGSON, P., & BELADI, H. (12 de Enero de 2016). Recuperado el 22 de Marzo de 2016, de Science Direct: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043164816000223 4 NASAJPOUR, A., KOKABI, A., DAVAMI, P., & NIKZAD, S. (11 de Noviembre de 2015). Recuperado el 22 de Marzo de 2016, de Science Direct: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925838815316273
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de P20 de carburo cementado (WC-Co) y acero para herramientas M2, bolas de 52.100 de acero con una mezcla abrasiva preparada con partículas de SiC y agua destilada. Los resultados se analizaron en términos de Ag (área con abrasión ranurada) y Ar (área con la abrasión de rodadura) como una función de la distancia y la presión de deslizamiento; han indicado que con el aumento de la distancia de deslizamiento y la consiguiente disminución de la presión, hay una transición del área con abrasión ranurada al área con la abrasión de rodadura.5
5 CAMARA COZZA, R. (14 de Octubre de 2014). Recuperado el 22 de Marzo de 2016, de Science Direct: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2238785414000969
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1.2 JUSTIFICACIÓN Actualmente se busca que todos los procesos sean más productivos con un bajo costo de producción especialmente en el sector industrial, en donde se utilizan diferentes tipos de maquinaria que están propensas a fallar por el desgaste de diferentes piezas, por tal motivo es de gran importancia crear nuevas ideas que ayuden a mitigar estos efectos ya que afectan claramente al resultado final, el costo económico e incluso el ambiental ya que usan materiales que esencialmente no son los más adecuados para cumplir distintas tareas. Prácticamente todo material que es sometido a un trabajo por más mínimo que sea, presenta un tipo de desgaste que varía por las condiciones de trabajo a las cuales está sometido, por ende tiende a perder sus características ya sean mecánicas o físicas (reducción de material, tolerancias, etc.), y que a la larga aumentan la frecuencia de mantenimiento de los componentes.
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2. OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GENERAL
Evaluar la resistencia al desgaste abrasivo según la norma ASTM G65 de tres materiales, acero Hadfield al manganeso, acero Maxdur 450 y Hierro alto cromo.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Determinar el comportamiento a la resistencia al desgaste abrasivo por medio de la norma ASTM G65.
Identificar las fases micro estructurales presentes en cada uno de los materiales evaluados.
Realizar ensayos de dureza y micro dureza según las normas ASTM E18 y ASTM E92 respectivamente.
Caracterizar la morfología de la superficie de cada material por medio de microscopia electrónica de barrido (SEM) y espectroscopia de rayos x de energía dispersiva (EDS).
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3. MARCO TEÓRICO
3.1 TRIBOLOGÍA
La tribología es la ciencia que estudia la fricción, el desgaste y la lubricación que tienen lugar durante el contacto entre superficies sólidas en movimiento. El término es usado universalmente desde finales del siglo XX. Para entender la tribología se requieren conocimientos de física, de química y de tecnología de materiales. Las tareas del especialista en tribología (tribólogo) son las de reducir la fricción y desgaste para conservar y reducir energía, lograr movimientos más rápidos y precisos, incrementar la productividad y reducir el mantenimiento. La Tribología está presente en prácticamente todos los aspectos de la maquinaría, motores y componentes de la industria en general. Los componentes tribológicos más comunes son6: • Rodamientos • Frenos y embragues • Sellos • Anillos de pistones • Engranes y Levas
3.1.1 Desgaste
El desgaste es conocido desde que el ser humano comenzó a utilizar elementos naturales que le servían como utensilios domésticos. Este fenómeno al igual que la corrosión y la fatiga, es una de las formas más importantes de degradación de piezas, elementos mecánicos y equipos industriales. Los tipos de desgaste dados los estudios de tribología se clasifican de la siguiente manera: • Desgaste por adherencia. • Desgaste por abrasión. • Desgaste por ludimiento. • Desgaste por fatiga. • Desgaste por erosión. • Desgaste corrosivo
6 CASTILLO RODRÍGUEZ, F. (2007). Recuperado el 22 de Marzo de 2016, de Unam Cuautitlán: http://profefelipe.mex.tl/imagesnew/4/6/9/5/1/TRIBOLOGIA.pdf
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El desgaste puede ser definido como el daño superficial sufrido por los materiales después de determinadas condiciones de trabajo a los que son sometidos. Este fenómeno se manifiesta por lo general en las superficies de los materiales, llegando a afectar la sub-superficie. El resultado del desgaste, es la pérdida de material y la subsiguiente disminución de las dimensiones y por tanto la pérdida de tolerancias. Los mecanismos de daño en los materiales se deben principalmente a deformación plástica, formación y propagación de grietas, corrosión y/o desgaste. Desde que el desgaste comenzó a ser un tópico importante y que necesitaba estudiado y entendido, comenzaron a aparecer en los libros de diseño y en la mente de los diseñadores, ideas sencillas de cómo prevenirlo o combatirlo, entre esas ideas se tienen7: 1. Mantener baja la presión de contacto 2. Mantener baja la velocidad de deslizamiento 3. Mantener lisas las superficies de rodamientos 4. Usar materiales duros 5. Asegurar bajos coeficientes de fricción 6. Usar lubricantes
3.1.2 Desgaste Abrasivo
Esta forma de desgaste, que se dice que representan más del 50% de los problemas de desgaste en la industria, se produce cuando las partículas duras tales como rocas o fragmentos de metal se deslizan bajo presión a través de una superficie. Esta acción tiende a cortar de la misma manera como corta una herramienta de corte, desplazando virutas alargadas o las astillas de metal. En dos cuerpos el desgaste abrasivo se produce cuando las partículas como el carbón o minerales metálicos son transportados a través de una superficie. Un proceso de desgaste similar, en una escala mucho más fina, se encuentra en áreas tales como la impresión o textiles. Esta vez, la abrasión es por las pequeñas partículas de pigmento transportadas en el producto.
7 MESA GRAJALES, D. (12 de Agosto de 2005). Recuperado el 19 de Marzo de 2016, de Universidad Tecnologica de Pereira: www.utp.edu.co/~dhmesa/pdfs/desgaste.pdf
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Figura 1: Desgaste abrasivo debido a las partículas duras.8 En tres cuerpos el desgaste abrasivo resulta en situaciones de alto estrés, donde las partículas son atrapadas entre las superficies cargadas en movimiento relativo. Las partículas van reduciendo su tamaño. Por lo general, sólo una pequeña proporción de las partículas causan desgaste, los productos de rodadura o deslizamiento producen poco desgaste, pero, a medida que aumenta el ángulo de ataque, las altas tasas de desgaste son experimentadas. Con el desgaste abrasivo, la carga en las partículas, su forma y dureza son muy importantes; como, junto con la dureza del componente, que determinará si se produce la penetración de superficie o trituración de las partículas.9
Figura 2: Apariencia de una superficie sometida al desgaste abrasivo.10 Los materiales con una alta dureza, buena tenacidad y alta resistencia al calor son más resistentes al desgaste por abrasión. Típico material utilizado para aplicaciones de desgaste abrasivo incluyen templado y acero templado; carburado o aceros endurecidos en la superficie; aleaciones de cobalto tales como Stellite;
8 CASTILLO RODRÍGUEZ, F. (2007). Recuperado el 22 de Marzo de 2016, de Unam Cuautitlán: http://profefelipe.mex.tl/imagesnew/4/6/9/5/1/TRIBOLOGIA.pdf 9 SMITH, E. (2000). Mechanical Engineers Reference Book (12 ed.). Preston: Bath Press, Bath. 10 Ibíd., p. 9/72
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materiales compuestos, incluidos los cermets de carburo de tungsteno; hierros colados blancos; y superficies duras producidas por soldadura. La mayoría del material de cerámica también resiste el desgaste efectivamente debido a su alta dureza; sin embargo, su fragilidad a veces puede limitar su utilidad en condiciones de desgaste abrasivo.
DESGASTE ABRASIVO DE DOS Y TRES CUERPOS Como ejemplo de desgaste abrasivo a dos cuerpos, se tiene un taladro penetrando una roca, mientras que a tres cuerpos se puede citar el desgaste sufrido por las mandíbulas de una trituradora al quebrar la roca, o por la presencia de partículas contaminantes en un aceite que sirve para lubricar de los superficies en contacto deslizante.11
Figura 3: Desgaste abrasivo a) a de los cuerpos y b) a tres cuerpos.12
ACEROS AL MANGANESO El acero austenitico al manganeso también conocido como acero Hadfield combina alta dureza y ductilidad con una gran capacidad de endurecimiento por deformación y buena resistencia al desgaste. Es considerado un material de ingeniería.
HIERRO ALTO CROMO Las fundiciones blancas al alto cromo son materiales altamente usados en la minería y la perforación de pozos petroleros debido a su alta resistencia al desgaste.
11 MESA GRAJALES, D. (12 de Agosto de 2005). Recuperado el 19 de Marzo de 2016, de Universidad Tecnologica de Pereira: www.utp.edu.co/~dhmesa/pdfs/desgaste.pdf 12 Ibíd., p. 2
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MAXDUR 450 Este tipo de material tiene una muy buena resistencia al desgaste ya que la dureza es alcanzada en su proceso de fabricación, conteniendo bajos contenidos de carbono y elementos de aleación, y son ideales para resolver más del 70% de los problemas de desgaste en las industrias.13 En los campos de la ingeniería hay presentes algunos materiales que se comportan mucho mejor en comparación a otros frente al desgaste abrasivo, y este comportamiento se basa principalmente en la dureza correspondiente a cada material, pero se debe tener en cuenta que algunas propiedades mecánicas del material conllevan a la disminución de otras, como por ejemplo al incrementar la dureza, la fragilidad entra a tomar un papel importante en el material y así mismo la resistencia al impacto disminuiría haciendo que sean valores importantes al tomar una decisión frente al material.
3.2 NORMA ASTM G65
Esta norma regula los procedimientos de estandarización para determinar la resistencia de los materiales al desgaste abrasivo, su clasificación está básicamente determinada por unos procedimientos que determinan la capacidad de resistencia que pueda tener el material. La prueba se lleva cabo con una arena estandarizada y una granulometría específica, dependiendo del procedimiento a utilizar en la prueba, debe aplicarse sobre la probeta una carga especifica que hace que la probeta tenga contacto con una rueda de caucho, así mismo, un flujo de arena seca cae exactamente en el contacto de la rueda con la probeta y así simular el desgaste abrasivo. La norma utilizada en el estudio de este proyecto es la norma ASTM con referencia G65-04.14
13 Aceros, Compañia General. (2016). CGA. Obtenido de http://www.cga.com.co/images/document/ficha-maxdur-b-60.pdf 14 ASTM. (s.f.). Standard Test Method for Measuring Abrasion Using the Dry Sand/Rubber Wheel Apparatus. USA: ASTM International.
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4. METODOLOGÍA A continuación se presentan los procedimientos que se llevaron a cabo en el desarrollo de este proyecto y así mismo el cumplimiento de ellos, inicialmente desde la selección de los materiales, caracterización de los mismos y pruebas mecánicas.
Figura 4: Mapa esquemático de la metodología. Primeramente se recolecto información de artículos, revistas, libros académicos y científicos, fichas técnicas de los materiales para trabajar respecto a su buen comportamiento frente al desgaste abrasivo; la norma que regula el desgaste abrasivo es la ASTM G65 y la máquina que se utilizó para este fin se encuentra en el laboratorio de tribología de la universidad Distrital Francisco José de Caldas. En el transcurso del desarrollo de este proyecto se citaron otros artículos como la página reconocida de internet Science Direct que sirvieron como guía principal para el desarrollo del mismo.
Microscopia óptica
Microscopia electrónica de barrido SEM
Espectroscopia de rayos x de energía dispersiva
EDS
Materiales utilizados
Maxdur 450 Acero Hadfield al manganeso Hierro alto cromo
Caracterización del material por medio de
Ensayos mecánicos
Desgaste Abrasivo Microdureza-Dureza
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La primera etapa fue la identificación de los materiales, de los cuales se emplearon Maxdur 450, acero Hadfield al manganeso y Hierro alto cromo, ya que, estos materiales a nivel industrial son altamente usados en la industria minera y presentan alta resistencia al desgaste abrasivo, por tal razón, se decide evaluar las características de manera particular para este tipo de desgaste. Como se indica en la figura 4 el orden cronológico del desarrollo de pruebas, se realizó la caracterización de cada material, con una previa preparación metalográfica, y la observación de las estructuras, composiciones químicas y análisis. De los ensayos mecánicos se realizaron, prueba de microdureza Vickers según la norma ASTM E92, prueba de dureza según la norma ASTM E18 con escala C (las probetas de cada material para estos tipos de prueba se encontraban preparadas metalográficamente), la prueba de desgaste abrasivo según norma ASTM G65 se realizó en nueve probetas, tres probetas para cada material y un total de dieciocho pruebas, ya que, se realizó la prueba de desgaste abrasivo por cada cara de la probeta.
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5. MATERIALES Y METODOS
5.1 MATERIALES UTILIZADOS
Los materiales Maxdur 450, Hadfield al manganeso y Hierro alto cromo; son materiales de muy buenas características para su uso en ambientes altamente abrasivos como lo es la industria de la minería. Según se cita en la norma ASTM G65, las dimensiones de las probetas para realizar la prueba deben ser de forma rectangular con un ancho de 25 mm, alto de 76 mm y un espesor entre 3.2 mm a 12.7 mm; las medidas de alto y largo pueden variar gracias al sistema de sujeción de las probetas y el espesor debe encontrarse cercano a estos rangos. Las medidas de las probetas son las siguientes:
MATERIAL
PROBETA #
MAXDUR 450
(mm)
HADFIELD AL
MANGANESO (mm)
HIERRO ALTO
CROMO (mm)
1 A: 30.00 L: 58.00 E: 12.00
A: 25.40 L: 73.80 E: 12.50
A: 24.55 L: 72.60 E: 12.40
2 A: 30.00 L: 58.00 E: 12.00
A: 25.25 L: 73.55 E: 12.70
A: 24.67 L: 73.80 E: 12.35
3 A: 30.00 L: 57.00 E: 12.00
A: 25.68 L: 73.80 E: 12.35
A: 25.00 L: 71.35 E: 12.35
Tabla 1: Dimensiones de las tres probetas para cada material. Siendo para la Tabla 1: A: ancho L: largo E: espesor El ancho y el largo pueden variar sin ningún problema, ya que, en la maquina el sistema de sujeción de la probeta, como se puede observar en la figura 5, tiene las posibilidades de adaptarse al ancho por medio de unas platinas y dos tornillos para poder sujetar la probeta.
24
Figura 5: Sistema de sujeción de las probetas en máquina de desgaste abrasivo.
Elaboración propia. La composición química de cada uno de los materiales utilizados en este proyecto, como lo son el acero Hadfield al manganeso, Hierro alto cromo y el acero Maxdur 450, se encuentran en el apartado 6.1 de este documento, la categorización del acero Hadfield al manganeso se realizó según la norma ASTM A128; así mismo para el Hierro alto cromo se realizó su respectiva categorización según la norma ASTM A532/A532M, y por último, la composición química del acero Maxdur 450 se comparó con la composición otorgada por su fabricante.
5.2 MÉTODOS
5.2.1 Caracterización metalográfica
Se realizó un corte a cada uno de los tres materiales y se llevó a cabo un encapsulado de cada uno como se puede observar en la figura 6, luego, se realizó un lijado manual sobre la superficie, con lijas número 120, 220, 320, 400, 600, 1000, y así mismo, se pulió cada muestra para obtener un acabado superficial especular. Acto seguido, se realizó el respectivo ataque químico en cada uno de los materiales, siendo la composición referenciada en la tabla 2.
MATERIAL Maxdur 450 Hierro alto
cromo Hadfield al manganeso
ATAQUE QUIMICO
2% Nital: 2 ml HNO3 y 98 ml de etanol
Gliceregia: 10 ml HNO3, 20 ml HCL y 30 ml de glicerol
Gliceregia: 10 ml HNO3, 20 ml HCL y 30 ml de glicerol
Tabla 2: Ataque químico utilizado en cada material.15
15 International, ASM. (1985). Metals handbook. En A. international, Metallography and microstructures (Vol. 9, p. 281, 569). USA: ASM Handbook Committee.
25
Figura 6: Encapsulado de los tres tipos de materiales, siendo los colores: negro acero Hadfield al manganeso, verde acero Maxdur 450, rojo Hierro alto cromo.
Elaboración propia. Posteriormente se realizó la observación en el microscopio óptico axio observer d1m de la universidad Distrital Francisco José de Caldas y para un mayor detalle de la estructura de cada material se utilizó el equipo JEOL JSM-6490LV para microscopia electrónica de barrido SEM de la universidad de los Andes con un espectrómetro de energía dispersiva EDS el cual permite un análisis de la composición química de cada uno de ellos.
5.2.2 Prueba de microdureza Vickers y dureza Rockwell
Para este tipo de análisis se utilizó el microdurómetro SHIMADZU HMV-2 de la universidad Distrital Francisco José de Caldas, se operó en modo de resultado automático con una carga de 9.807 N y una duración de 15 segundos como lo regula la norma para microdureza ASTM E92, los resultados de dureza para la escala Rockwell HRC no se muestran por los altos valores de microdureza en la escala Vickers HV del Acero Hadfield al Manganeso, estos resultados en su totalidad se pueden observar en el Anexo A.
5.2.3 Caracterización de la arena de procedencia local
Se trabajó con arena de procedencia local pero con un tamaño similar granulométrico que permite la norma ASTM G65 para esta prueba y para ello se realizó su respectiva caracterización, se realizaron 10 mediciones al azar de una muestra de arena 40/60 como se puede observar en la figura 7, tabla 3.
26
Figura 7: Caracterización granulométrica de la arena 40/60.
MEDICION ARENA(μm) MEDICIÓN ARENA(μm) PROMEDIO
(μm)
1 411,37 6 421,85
421,59
2 412,50 7 408,47
3 415,63 8 363,75
4 543,61 9 314,75
5 508,14 10 415,86
Tabla 3: Caracterización granulométrica de la arena 40/60. Según la tabla 3 tenemos un valor promedio de 421,59 μm de granulometría para la arena 40/60 de procedencia local, lo cual es un valor aceptable para la realización de la prueba de desgaste abrasivo y en la figura 7 se ve una forma medianamente circular de la arena.
5.2.4 Comprobación de la dureza del caucho de la rueda según norma ASTM G65
Para la comprobación de la dureza del caucho de la rueda (Figura 8), se utilizó un durómetro SHORE D referencia PCE-HT 150, según la norma debe tener una dureza optima de A-60, pero puede tener un margen de ±2; para ratificar la dureza se tomaron cuatro mediciones a 90º cada una, esto se refleja en la tabla 4.
27
Figura 8: Caucho de la rueda maquina desgaste abrasivo ASTM G65. Elaboración
propia.
MEDICIÓN 1 2 3 4 PROMEDIO
DUREZA SHORE A
62,2 58 59 61 60,05
Tabla 4: Dureza caucho de la rueda maquina desgaste abrasivo ASTM G65. Se toma un promedio para comprobar la dureza del caucho y con los datos de la tabla 4, se puede evidenciar que cumple con la norma.
5.2.5 Flujo de Arena en la máquina de desgaste abrasivo ASTM G65
Se debe asegurar que el flujo de la arena sea laminar como se puede observar en la figura 9 y debe cumplir un flujo de 300 a 400 g/min, para comprobar el flujo se tomaron 5 muestras de arena, cada una de 1 minuto y la maquina operando normalmente, el resultado se expresa en la tabla 5.
MEDICION 1 2 3 4 5 PROMEDIO
Flujo de arena
(g/min) 305,38 304,87 307,89 306,45 305,75 306,07
Tabla 5: Medición flujo de la arena.
28
Figura 9: Flujo laminar de la arena en operación normal de la máquina de
desgaste abrasivo ASTM G65. Elaboración propia.
5.2.6 Procedimientos para la toma de prueba de desgaste abrasivo según la norma ASTM G65
Primero se verifico su correcto funcionamiento, con una inspección visual y una comprobación del motor, luego se siguieron los siguientes parámetros que indica la norma ASTM G65 para realizar las pruebas:
5.2.7 Parámetros antes de iniciar la prueba de desgaste abrasivo ASTM G65
La norma ASTM G65 cubre cinco procedimientos para la realización del ensayo, tomando como referencia la capacidad de resistencia a la abrasión a la cual el material se puede someter, en este proyecto los materiales de referencia desde un principio son para trabajos en ambientes altamente abrasivos como lo es la minería, por lo tanto, el procedimiento B aplica para este tipo de materiales los parámetros se muestran en la tabla 6.
PROCEDIMIENTO Pesa
(Newton) Revoluciones
de la rueda Abrasión lineal (m)
Tiempo (min)
B 130 2000 1436 10
Tabla 6: Parámetros de prueba para el desgaste abrasivo ASTM G65 para el procedimiento B.
Como se puede observar en la tabla 6 se debe cumplir con una abrasión lineal total de 1436m y 2000 revoluciones de la rueda o ciclos, con 200 rpm del eje del motor y un tiempo de 10 min se cumple lo anterior para un diámetro de la rueda de 228.6mm (nueva), pero dado que la maquina ya ha sido utilizada anteriormente se
29
verifico nuevamente el diámetro de la rueda, siendo este menor al inicial, por esta razón, se debe recalcular un tiempo para cumplir con una abrasión lineal de 1436m como lo dicta la norma, esto se puede ver en la tabla 7.
PR
UE
BA
Rev. De la rueda (rpm)
Ø₁ (m)
Ø₂ (m)
D₁ (m)
D₂ (m)
Cc₁ (# ciclos)
Cc₂ (# ciclos)
Tc₁ (min)
Tc₂ (min)
1. 200 0,2286 0,223 0,7182 0,7006 1999,53 2049,74 10,00 10,25
2. 168 0,223 0,223 0,7006 0,7006 2049,74 2049,74 12,20 12,20
Tabla 7: Calculo del tiempo para cumplir con una abrasión lineal total de 1436m como mínimo.
Siendo para la tabla 7:
Ø₁: Diámetro inicial de la rueda Ø₂: Diámetro final de la rueda D₁: Distancia de abrasión/ciclo 𝐷1 = ∅1 ∗ 𝜋 (𝐸𝑐. 1) D₂: Distancia de abrasión corregida/ciclo 𝐷2 = ∅2 ∗ 𝜋 (𝐸𝑐. 2)
Cc₁: # Ciclos total inicial 𝐶𝑐1 =𝑃𝑚
𝐷1 (𝐸𝑐. 3)
Cc₂: # Ciclos total corregido 𝐶𝑐2 =𝑃𝑚
𝐷2 (𝐸𝑐. 4)
Tc₁: Tiempo estimado inicial de prueba 𝑇𝑐1 =𝐶𝑐1
𝑊 (𝐸𝑐. 5)
Tc₂: Tiempo estimado corregido de prueba 𝑇𝑐2 =𝐶𝑐2
𝑊 (𝐸𝑐. 6)
Pm: Distancia mínima de abrasión 1436m W: Revoluciones de la rueda (rpm) Como se puede observar en la tabla 7 se realizó un ejemplo siendo este la prueba 1. La prueba 2 es una medición en operación real de la máquina de desgaste abrasivo ASTM G65:
Para la prueba 1 se calculó el tiempo para el diámetro de una rueda nueva como lo dicta la norma ASTM G65 para este diámetro y 200 rpm de la rueda; se obtiene un tiempo de prueba total para el procedimiento B de 10 minutos. En este mismo ejemplo suponiendo al terminar la prueba se debe realizar una nueva medición del diámetro final de la rueda, como se puede observar ahora el tiempo es de 10,25 minutos, con este valor se asegura
30
una abrasión lineal total mínima de 1436m y 2049,74 ciclos o revoluciones totales de la rueda al disminuir su diámetro.
En la prueba 2, se muestran valores reales tomados al momento de la ejecución de la prueba del desgaste abrasivo, con un tacómetro digital laser se tomaron las revoluciones de la rueda y también se midió el diámetro
inicial de la rueda (Ø₁), como se puede observar el diámetro está por debajo de lo que dicta la norma, pero la norma ASTM G65 asegura que se pueden realizar pruebas con un diámetro mayor a 215.9mm, por lo tanto, se puede ejecutar la prueba, con estos valores se obtuvo un tiempo de 12,20 minutos que asegura la mínima abrasión lineal total de 1436m para el procedimiento B. Durante todas las pruebas al medirse el diámetro final de la rueda, la medición no era exacta en decimas de milímetro, siempre se obtenía el mismo valor de medición, por lo tanto, para todas las pruebas se mantuvo un diámetro de rueda de 223,0 mm, pero aumentando unas décimas de segundo para asegurar el total de la abrasión lineal.
5.2.8 Realización de la prueba de desgaste abrasivo ASTM G65
Se tiene un total de 9 probetas como se especifica en la tabla 1, se realizaron 18 pruebas de desgaste abrasivo por lado y lado de cada probeta, la masa final de cada probeta después de haberse ejecutado una prueba, es la masa inicial de la siguiente prueba de esa misma probeta, ver anexo B para verificar todos los resultados de masa de cada material. La masa se midió en una balanza de precisión (figura 10).
Figura 10: Balanza de precisión para medir la masa de cada probeta. Elaboración
propia.
31
La pérdida de volumen según la norma ASTM G65 debe darse en mmᶟ, se calcula según la ecuación (7) y los valores de pérdida de masa se encuentran en el anexo B de este documento. La densidad tomada para el acero es de 0,00785 g/mmᶟ y para el Hierro 0,0077 g/mmᶟ.
𝑃𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 =𝑃𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑠𝑎 (𝑔)
𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 𝑒𝑣𝑎𝑙𝑢𝑎𝑑𝑜 (𝑔
𝑚𝑚3) (𝐸𝑐. 7)
32
6. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
6.1 RESULTADOS DE LOS ENSAYOS METALOGRÁFICOS:
6.1.1 Caracterización del acero Maxdur 450 mediante microscopia óptica y microscopia electrónica de barrido SEM con EDS.
Se realizó la visualización mediante microscopia óptica con aumentos de 100X y 500X como se puede observar en la figura 11 y 12.
Figura 11: Acero Maxdur 450 aumento 100X.
Figura 12: Acero Maxdur 450 aumento 500X.
En la figura 11 se puede observar que este es un acero de grano fino con una matriz de característica martensitica, ya que, tiene la apariencia de agujas o variantes, en la figura 12 se puede observar más detalladamente la fase blanca que es característica de la austenita y también puede coexistir la martensita con la perlita, que son las regiones oscuras.
33
La microscopia electrónica de barrido SEM y espectrometría de rayos x de energía dispersiva EDS se realizó con el propósito de tener una imagen más detallada y ratificar lo que se había observado en el microscopio Axio, se observaron las imágenes en modo composicional con aumentos 500X, 1000X, 1500X, 2000X.
Aumentos a) 500X b) 1000X c) 1500X d) 2000X
Figura 13: Microscopia electrónica de barrido Acero Maxdur 450. Gracias a estas imágenes tomadas en el equipo de microscopia electrónica de barrido se puede observar de manera más detallada la matriz martensitica predominante con apariencia de agujas o variantes que caracteriza a este tipo de material, con fases austeniticas.
La espectrometría de rayos x de energía dispersiva EDS permite verificar la composición química del material como se puede observar en la figura 14, así mismo, obtenemos su composición química en porcentaje del peso, como se puede observar en la tabla 8.
a) b)
c) d)
34
Figura 14: Grafica composicional química del Acero Maxdur 450.
Elemento Hierro Manganeso
% peso 93.78 0.99
Tabla 8: Composición química de los elementos predominantes del Acero Maxdur 450.
En la tabla 8 se muestran los elementos predominantes en el material Maxdur 450, el hierro y el carbono son elementos que caracterizan una aleación ferrosa (es de aclarar que el alto contenido de carbono no es un valor correcto por el equipo, ya que, faltan otras variantes como lo son los elementos químicos fosforo, azufre, cromo, molibdeno, boro y níquel), con el manganeso (que es el elemento característico) forma la austenita como se puede observar en la figura 12 y 13, también aumenta la capacidad de endurecimiento del material, por consiguiente, las propiedades mecánicas de este material como su dureza, tenacidad y limite elástico, hace que sea un material de muy buenas características y con buena resistencia al desgaste abrasivo y deformaciones plásticas. Según el fabricante el contenido en porcentaje de peso corresponde para el carbono 0.18, Manganeso 1.45, Fosforo 0.02, Azufre 0.003, Cromo 0.8, Molibdeno 0.20, Boro 0.003 y Níquel 0.12.
Hierro
Manganeso
Carbono
35
6.1.2 Caracterización del acero Hadfield al manganeso mediante microscopia óptica y microscopia electrónica de barrido SEM con EDS.
La microscopia óptica de este material se hizo con aumento de 100X, como se puede observar en la figura 15, donde su microestructura consiste de granos de austenita con carburos no disueltos en las áreas interdendríticas incluidos los límites de grano.
Figura 15: Acero Hadfield aumento 100X.
La microscopia SEM y EDS se hace igualmente con el equipo JEOL JSM-6490LV de la universidad de los Andes, con aumento en modo topográfico 300X figura 16a, y en modo composicional con aumentos de 500X, 1000X, 1500X figura 16b a la d.
a) b)
36
Aumentos: a) 300X b) 500X c) 1000X d) 1500X
Figura 16: Microscopia electrónica de barrido Acero Hadfield al Manganeso.
Como se puede observar en la figura 16a, la micrografía fue tomada en modo topográfico para poder observar el relieve de la superficie y se denotan altas micro porosidades en el material, lo que pueden ser implicaciones a la hora de tomar la prueba de desgaste abrasivo sobre el material. En las micrografías de la figura 16b, 16c, 16d, se revelan los límites de grano más detalladamente con los granos de austenita y carburos disueltos en el área del grano. En la figura 16c se manifiesta una microporosidad en el límite de grano.
La espectrometría de rayos x de energía dispersiva EDS para este material se puede observar en la figura 17, así mismo, obtenemos su composición química en porcentaje del peso, como se puede observar en la tabla 9.
Según la norma ASTM A128 para una aleación grado C corresponde en porcentaje del peso para el: Carbono 1.35, Manganeso 12.98, Silicio 0.28, Aluminio 0.025 y Cromo 2.06.
c) d)
37
Figura 17: Grafica composicional química del Acero Hadfield al Manganeso.
Elemento Hierro Manganeso Cromo
% peso 79.36 12.04 1.81
Tabla 9: Composición química de los elementos predominantes del Acero Hadfield al Manganeso.
Es de ratificar que la composición química del porcentaje del carbono lo despreciaremos por el equipo JEOL JSM-6490LV, ya que, en ese momento está dando unos valores altos en carbono; según la norma ASTM A128 se caracteriza este acero Hadfield al Manganeso en grado C16 dados sus porcentajes en peso de manganeso y cromo. Las propiedades de este material son de muy buena perspectiva para disminuir el desgaste abrasivo, dado que, el manganeso aumenta la templabilidad, contrarresta la fragilidad y el cromo ofrece resistencia contra la corrosión y oxidación, también aumenta la templabilidad y mejora la resistencia al desgate con altos contenidos de carbono.
16 International, A. (1985). Metals Handbook. En A. International, Metallography And Microstructures (Vol. 9, p. 1951-1952, Table 1 Standard Composition Ranges For Austenitic Manganese Steel Castings). Usa: Asm Handbook Committee.
Hierro
Manganeso
Cromo
Carbono
38
6.1.3 Caracterización del Hierro Alto Cromo mediante microscopia óptica y microscopia electrónica de barrido SEM con EDS.
Por último la microscopia óptica de este material se hizo con aumentos de 100X figura 18 y 200X figura 19.
Figura 18: Hierro Alto cromo aumento 100X.
Figura 19: Hierro Alto Cromo 200X.
Como se puede observar en las figuras 18 y 19, la estructura de este material consta de una matriz de ferrita acicular conteniendo carburos globulares dispersos, también en la figura 18 hay presencia de algunas microporosidades.
39
La microscopia SEM y EDS se realizó con aumentos de 500X, 1500X y 2000X.
Aumentos: a) 500X b) 500X c) 1500X d) 2000X
Figura 20: Microscopia electrónica de barrido Hierro Alto Cromo.
En las micrografías de la figura 20a, b, c se pueden apreciar algunas micro porosidades que también pueden ser factores relevantes al realizar la prueba de desgaste abrasivo; en la micrografía de la figura 20d se denotan carburos eutécticos con dendritas austeniticas y carburos globulares dispersos sobre la matriz. La alta presencia de cromo en el material se puede observar en las regiones grises oscuras.
La espectrometría de rayos x de energía dispersiva EDS en este material se puede observar en la figura 21 y su composición química en porcentaje del peso, en la tabla 10. Despreciamos los valores de carbono ya que el equipo da valores muy altos para este elemento químico.
a) b)
c) d)
40
Figura 21: Grafica composicional química del Hierro Alto Cromo.
Elemento Hierro Cromo
% peso 67.15 27.39
Tabla 10: Composición química de los elementos predominantes del Hierro Alto Cromo.
Según la norma ASTM A532/A532M se caracteriza este material, ya que, el elemento predominante es el cromo y por ello se clasifica en la clase III tipo A y según la norma para este tipo de clasificación da como requerimientos químicos en porcentaje de peso lo siguiente: Carbón 2.0-3.3, Manganeso 2.0 máximo, Silicio 1.5 máximo, Níquel 2.5 máximo, Cromo 23.0-30.0, Molibdeno 3.0 máximo, Cobre 1.2 máximo, Fosforo 0.10 máximo y Azufre 0.06 máximo.17 La alta concentración de cromo es este material ayuda a aumentar la templabilidad, la resistencia a la corrosión y oxidación, la resistencia a altas temperaturas puede aumentar un poco y mejora notablemente la resistencia a la abrasión y al desgaste.
17 ASTM. (1999). Standard Specification for Abrasion-Resistant Cast Irons A532/A532M. USA: ASTM Committee .
Hierro
Cromo
Carbono
41
6.2 RESULTADOS DE MICRODUREZA
ACERO MAXDUR 450 ACERO HADFIELD AL
MANGANESO HIERRO ALTO CROMO
PRUEBA VICKERS PRUEBA VICKERS PRUEBA VICKERS
1 768 1 898 1 331
2 663 2 1042 2 282
3 631 3 1002 3 293
4 724 4 1003 4 284
5 590 5 1165 5 275
PROMEDIO 675,2 PROMEDIO 1022 PROMEDIO 293
Tabla 11: Microdureza de los tres materiales analizados. Los resultados de la tabla 11 para los tres materiales se dan en escala Vickers HV; se tomaron 5 pruebas y su promedio respectivo, para el material Acero Hadfield al Manganeso la escala Rockwell HRC no aplica dados los altos valores en la escala Vickers se puede verificar en el anexo A, por lo tanto, se muestra la escala Vickers para la comparación de datos. Como se puede observar los valores de la microdureza vickers del acero maxdur varían mucho para ser el mismo material esto puede ser una característica por tener una matriz heterogénea como se puede observar en la figura 13d, los valores de microdureza para el acero Hadfield al Manganeso y el Hierro alto Cromo se pueden considerar homogéneos y esto se ratifica por su matriz casi homogénea.
Figura 22: Comparativo microdurezas de los tres materiales.
ACERO HADFIELDAL MANGANESO
ACERO MAXDUR450
HIERRO ALTOCROMO
Promedio 1022 675,2 293
0
200
400
600
800
1000
1200
Mic
rod
ure
za e
scal
a V
icke
rs (
HV
) Comparativo microdureza de los tres materiales
42
En conclusión con este análisis se puede confirmar que el acero Hadfield al Manganeso cumple con valores altos en su microdureza, el acero Maxdur 450 un nivel intermedio en comparación con los otros dos materiales y el Hierro alto Cromo le corresponden valores muy bajos de microdureza en comparación con los dos materiales respectivos, esto se puede observar en la figura 22 donde se comparan las microdurezas de los tres materiales.
6.3 RESULTADOS PRUEBA DESGASTE ABRASIVO PARA CADA MATERIAL
Se puede apreciar en las tabla 12 la perdida volumétrica en cada uno de los tres materiales; como se puede observar el acero Hadfield tuvo un mejor comportamiento frente al desgaste abrasivo en términos de menor perdida volumétrica, en la figura 23 se observa un resultado comparativo de los tres materiales.
MA
TER
IAL
PR
UEB
A
PER
DID
A D
E
VO
LUM
EN
(mm
^3)
MA
TER
IAL
PR
UEB
A
PER
DID
A D
E V
OLU
MEN
(m
m^3
)
MA
TER
IAL
PR
UEB
A
PER
DID
A D
E V
OLU
MEN
(m
m^3
)
AC
ERO
HA
DFI
ELD
AL
MA
NG
AN
ESO
1. 25,3248
AC
ERO
MA
XD
UR
45
0 1. 123,2102
HIE
RR
O A
LTO
CR
OM
O
1. 180,7922 2. 26,7898 2. 134,853
5 2. 180,272
7 3. 14,1146 3. 122,8790
3. 175,6494 1.1 79,0318 1.1 117,439
5 1.1 178,103
9 2.1 33,1720 2.1 127,9363
2.1 196,9870
3.1 56,5478 3.1 122,038
2 3.1
184,4935
PROMEDIO
39,1635 PROMEDIO
124,7261
PROMEDIO
182,7165 Tabla 12: Resultados prueba desgaste abrasivo ASTM G65 de todos los
materiales.
43
Figura 23: Comparativo resistencia al desgaste abrasivo de los tres materiales.
Como se puede observar en la figura 23 los tres materiales tienen un promedio de perdida de volumen aceptable en el desgaste abrasivo, son materiales altamente usados en la industria de la minería, pero el acero Hadfield al manganeso tuvo una mejor resistencia al desgaste abrasivo, se puede comparar la perdida de volumen respeto a la dureza de cada material como se observa en la figura 24.
Figura 24: Comparativo perdida de volumen vs Dureza (HV).
ACERO HADFIELDAL MANGANESO
ACERO MAXDUR450
HIERRO ALTOCROMO
Promedio 39,1635 124,7261 182,7165
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Perd
ida
de
volu
men
(m
mᶟ)
Comparativo resistencia al desgaste abrasivo
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0Perd
ida
de
volu
men
(m
mᶟ)
Dureza (HV)
Comparativo perdida de volumen vs Dureza
MAXDUR 450 ACERO HADFIELD AL MANGANESO HIERRO ALTO CROMO
44
De la figura 24 se concluye que el comportamiento de un material en cuanto tenga mayores valores de dureza, al enfrentarse al desgaste abrasivo va a tener una mejor resistencia y menor perdida de volumen, esto también se puede evidenciar en su estructura metalográfica y el análisis de la morfología de la superficie. Se puede evidenciar que al tener elementos químicos predominantes como el manganeso, cromo y elementos característicos como lo son el hierro-carbono en las aleaciones de acero y hierro, se puede obtener buenas propiedades mecánicas en los materiales usados en la industria minera. Un factor importante al culminar la prueba de desgaste abrasivo en el acero hadfield al manganeso es que se pudo evidenciar grandes porosidades que se encontraban en la superficie donde se removió el material, estas porosidades pueden ser un factor relevante en el momento de operación, en el apartado 6.1.2 en las micrografías de este material se pueden observar gran variedad de microporosidades en el material, donde efectivamente al culminar la prueba fueron visibles a gran escala. Sin embargo, a pesar de que el acero anteriormente mencionado tiene grandes porosidades, fue el que mejor obtuvo resistencia al desgaste abrasivo y altos valores de dureza. En este proyecto se obtiene una conclusión importante frente a la elección de un material para su uso en ambientes altamente abrasivos, ya que, son materiales donde su costo económico no es alto y tiene una buena trayectoria de vida cuando se esté usando en entornos abrasivos.
45
7. CONCLUSIONES
En conclusión se identificó que el mejor comportamiento presentado frente al desgaste abrasivo entre los tres materiales evaluados fue el del acero Hadfield al manganeso, demostrando buenas características de dureza y resistencia a este tipo de desgaste en ambientes altamente abrasivos como lo es el movimiento de tierras o en la industria minera.
De este modo el estudio metalográfico con un análisis de composición química respectivo a cada material, es un factor importante en cuanto a la elección del material, ya que se puede estudiar su morfología, estructura granular y componentes aleantes, y así pronosticar como va a ser su comportamiento en el desgaste abrasivo.
De igual manera la caracterización de un material de acuerdo a sus valores de dureza y microdureza pueden ser un factor importante en la elección de este para trabajos en ambientes altamente abrasivos, pero es importante de igual modo conocer el tamaño granular de las partículas abrasivas a las cuales va a estar enfrentado y factores como la ductilidad, tenacidad y procesos de manufactura también son relevantes.
Como resultado de las micrografías en el microscopio electrónico de barrido SEM, se puede obtener un mejor detalle de la morfología de la superficie y así caracterizar su estructura, así mismo, la espectroscopia de rayos x de energía dispersiva nos muestra la distribución de los componentes químicos predominantes en la aleación, logrando caracterizar sus matrices y fases características para este tipo de materiales con buena resistencia al desgaste abrasivo.
46
8. BIBLIOGRAFÍA
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48
9. ANEXOS
A. Tabla de resultados dureza Rockwell HRC y microdureza Vickers HV
HIERRO ALTO CROMO
PRUEBA VICKERS
HV ROCKWELL
HRC
1 331 33
2 282 27,4
3 293 28,8
4 284 27,7
5 275 26,4
PROMEDIO 293 28,66
ACERO HADFIELD AL MANGANESO
PRUEBA VICKERS
HV ROCKWELL
HRC
1 898 66,9
2 1042 NO APLICA
3 1002 NO APLICA
4 1003 NO APLICA
5 1165 NO APLICA
PROMEDIO 1002 N/A
ACERO MAXDUR 450
PRUEBA VICKERS
HV ROCKWELL
HRC
1 768 62,8
2 663 58,4
3 631 56,9
4 724 61,1
5 590 54,7
PROMEDIO 675,2 58,78
49
B. Tabla de datos y resultados prueba desgaste abrasivo para material
MATERIAL PRUEBA MASA
INICIAL (g)
MASA FINAL
(g)
PERDIDA DE
MASA (g)
PERDIDA DE
VOLUMEN (mm^3)
ACERO HADFIELD
AL MANGANESO
1. 168,4852 168,2864 0,1988 25,3248
2. 169,8007 169,5904 0,2103 26,7898
3. 166,2777 166,1669 0,1108 14,1146
1.1 168,2864 167,666 0,6204 79,0318
2.1 169,5904 169,33 0,2604 33,1720
3.1 166,1669 165,723 0,4439 56,5478
PROMEDIO 39,1635
50
MATERIAL PRUEBA MASA
INICIAL (g)
MASA FINAL
(g)
PERDIDA DE
MASA (g)
PERDIDA DE
VOLUMEN (mm^3)
ACERO MAXDUR
450
1. 159,6921 158,7249 0,9672 123,2102
2. 159,1649 158,1063 1,0586 134,8535
3. 156,8866 155,922 0,9646 122,8790
1.1 158,7249 157,803 0,9219 117,4395
2.1 158,1063 157,102 1,0043 127,9363
3.1 155,922 154,964 0,9580 122,0382
PROMEDIO 124,7261
51
MATERIAL PRUEBA MASA
INICIAL (g)
MASA FINAL
(g)
PERDIDA DE
MASA (g)
PERDIDA DE
VOLUMEN (mm^3)
HIERRO ALTO
CROMO
1. 160,4005 159,0084 1,3921 180,7922
2. 154,9159 153,5278 1,3881 180,2727
3. 165,2761 163,9236 1,3525 175,6494
1.1 159,0084 157,637 1,3714 178,1039
2.1 153,5278 152,011 1,5168 196,9870
3.1 163,9236 162,503 1,4206 184,4935
PROMEDIO 182,7165