ALEACIONES RESISTENTES AL DESGASTEI. OBJETIVOS

Investigar acerca de aleaciones resistentes al desgaste Asimilar la diferencia entre aceros y fundiciones Aprender sobre Ensayos de desgaste

II. INTRODUCCIÓNEn toda la historia, el ser humano, ha hecho descubrimientos que son relevantes para adaptarse a las nuevas situaciones que se presentan y mejorar las condiciones del entorno en que vive. En el campo de la metalurgia este principio también se aplica, la necesidad de contar con aleaciones resistentes al desgaste es una realidad que cada vez toma más fuerza.

III.¿A QUÉ NOS REFERIMOS CON DESGASTE?“Desgaste es la pérdida de material en una superficie por medio de

diferentes mecanismos” (Según Metso)

Existen numerosas definiciones abordadas por distintos autores e instituciones científicas que estudian desde puntos de vista diferentes los problemas del desgaste. La razón de esta dificultad para definir el desgaste radica en que el desgaste o resistencia al desgaste no es una propiedad intrínseca del material como lo es la dureza por ejemplo, si no que está en función del sistema en el que opera.

El desgaste de las piezas metálicas se clasifica comúnmente en diferentes tipos dependiendo del mecanismo responsable del desgaste:

Fatiga : el desgaste de fatiga se origina por la carga cíclica repetitiva (fatiga de la superficie).

Fricción/Frotamiento: El desgaste friccional es resultado del deslizamiento o el contacto rodante de dos superficies entre sí. A simple vista, estas superficies pueden parecer lisas, e incluso pulidas, pero bajo el microscopio muestran claramente “colinas y valles”.

Abrasión: Aquí el material es eliminado o desplazado de la superficie por partículas duras, o bien, en ocasiones por protuberancias duras de una superficie opuesta que se desliza forzadamente a lo largo de la superficie desgastada.

Erosión: Desgaste causado por partículas duras que impactan sobre la superficie, bien a través de una corriente de gas o transportadas por el caudal de un líquido.

Corrosión: Es probablemente la forma más compleja de desgaste y la más difícil de comprender constituyendo una verdadera ciencia en sí misma. No obstante, prácticamente toda la corrosión es resultado de algún tipo de ataque químico u oxidación.

Impacto: Desgaste provocado por el resultado de cargas sucesivas producidas por choques puntuales en la superficie. Si la superficie es frágil, puede fracturarse fácilmente, pero si es tenaz cederá por deformación elástica

o plástica de forma que se evitará la fractura o al menos se retrasará. Ejemplo: Dientes de una pala excavadora al golpear la roca.

IV.DIFERENCIA ENTRE ACEROS Y FUNDICIONESLas principales diferencias de los aceros vs las fundiciones son su composición química: Cuando contiene menos del 0,008% en peso de C se llama hierro, es un acero cuando tiene un contenido en Carbono mayor al 0,008% y menor a 2,11% y es llamada fundición cuando la aleación tiene un contenido en carbono superior al 2,1%.

V. FUNDICIONES5.1.-¿Cómo se fabrican las fundiciones?

Primero para la fabricación de piezas de fundiciones se debe diseñar el molde. Es preciso que la cavidad de este debe ser ligeramente sobredimensionado, esto permitirá la contracción del metal durante la solidificación y enfriamiento. Estos moldes se hacen de varios materiales como arena, yeso, metal y cerámica.El proceso de fundición parte calentando el metal en un horno de cubilote donde se debe transformar completamente en líquido, luego se vierte directamente en el molde. En un molde abierto el metal liquido se vacía simplemente hasta llenar la cavidad abierta. En un molde cerrado se vierte en por el sistema de vaciado. Cuando el material fundido en el molde empieza la solidificación que involucra un cambio de fase del metal. Se requiere tiempo para completar este cambio de fase porque es necesario disipar una considerable cantidad de calor. Al enfriarse la fundición se remueve del molde; para ello pueden necesitarse procesamientos posteriores dependiendo del método de fundición y del metal que se úsalos siguientes:

El desbaste del metal excedente de la fundición. La limpieza de la superficie. Tratamiento térmico para mejorar sus propiedades. Pueden requerir maquinado para lograr tolerancias estrechas en ciertas

partes de la pieza y para remover la superficie fundida y la microestructura metalúrgica asociada.

Figura 2. El horno de cubilote y sus partes a) envoltura cilíndrica b) revestimiento interno c) Chimenea d) boca de carga e) Cámara de aire f) Toberas g) piquera de escoria h) Puerta lateral de encendido i) canal de colada j) Solera k) Plancha l) columnas de apoyo m) crisol

5.2.-Clasificación de las fundiciones:5.2.1 ORDINARIAS

a) Grises

Su estructura está formada por una matriz metálica conteniendo grafito precipitado en forma de láminas de diversos tamaños y grosores, La mayoría de estos son hipoeutécticas con 2 a 4% de carbono. Esto ocurre por la tendencia de la cementita a separarse en grafito y austenita esto ocurre durante el enfriamiento ya que la austenita segrega más carbono al ir bajando su solubilidad, también se forma cementita proeutectoide que grafitiza rápidamente, esto es favorecido controlando la composición y velocidad de enfriamiento de la aleación...Las propiedades mecánicas son variables y están en función directa de la microestructura; por lo general poseen una resistencia a la compresión de dos a tres veces mayor que su resistencia a la tensión, siendo su ductilidad bastante pequeña. Estas características junto con una baja sensibilidad a la presencia de muescas (concentradores de esfuerzo) hacen que sea adecuado para diversos tipos de flechas y ejesLas características mecánicas de una fundición gris son las siguientes:

- Dureza Brinell entre 156 y 302- Resistencia a la tracción entre 150 y 430 MPa- Resistencia a la compresión entre 570 y 1,3 GPa

b) BlancasSu composición básica es: Perlita+Cementita (Fe3C)Composición: 4%C - 0,8%SiSon aquellas en las que todo el carbono se encuentra combinado bajo la forma de cementita. Se distinguen porque al fracturarse presenta un color blanco brillante.

La figura 1 muestra la microestructura típica de las fundiciones blancas, la cual está formada por dendritas de austenita transformada (perlita), en una matriz blanca de cementita. Observando la misma figura con más aumentos, vemos que las áreas oscuras son perlita (fig. 2). 

Fig.1, x100 Fig.2, x400

Este tipo de fundiciones, que presentan muy baja tenacidad, producen al romperse una superficie fracturada cristalina y brillante que da origen al nombre de la fundición

Resumen:

c) AtruchadasSe caracteriza por tener una matriz de fundición

blanca combinada parcialmente con fundición gris. El carbono se encuentra libre y combinado, siendo difícilmente maquinable

5.2.2. ALEADASa) Baja y media aleación

1-2%CrEstas fundiciones se emplean bastante poco, casi exclusivamente en casos en que interesa gran resistencia al desgaste y a la abrasión, y no importa mucho la tenacidad del material. Para la fabricación de placas de blindaje, piezas de rozamiento, zapatas de freno, guías de rodadura, son muy empleadas fundiciones blancas de 2 a 3% de cromo, con durezas variables 400 a 450 Brinell.

Martensíticas resistentes al desgastea. Blancas

Ni-HardEste tipo de material esta aleado al cromo para minimizar la formación de grafito y obtener carburos. La composición química que debe tener están estandarizadas según especificación ASTM A532

Siendo las más óptimas para el desgaste por abrasión las I A y I C llegando alcanzar esta aleación una dureza superior a los 600 HB lo cual otorga sus incomparables propiedades contra el desgaste. La estructura de esta aleación es una matriz martensitica usualmente con austenita retenida, la inclusión del cromo se utiliza para asegurar que el hierro solidifique en forma de carburo.

b. Grises:Estas fundiciones son un bruto de colada con estructura martensítica por simple enfriamiento en arena. Suelen conocerse a veces con la denominación de fundiciones autotemplables por la elevada dureza 400 a 450 Brinell que adquieren directamente de la colada sin ningún tratamiento. No pueden ser mecanizadas con herramientas ordinarias.

b) Alta aleación Altas en cromo:

La fundición alta en cromo que es resistente a la abrasión es la de clase II de las especificaciones de ASTM A 532 con contenido de cromo entre 11 al 22% y con un contenido de molibdeno de hasta 3,5 %Mo, pudiendo ser elaborada con una matriz austenítica o austenítica- martensítica, y por medio de tratamiento térmico se obtiene una matriz martensítica para obtener una máxima resistencia a la abrasión, siendo considerada una de las más dura de todas las fundiciones blancas con una dureza de elevada dureza: 400 a 550 Brinell.

5.2.3. ESPECIAL1. Fundiciones maleables:

Producidos por el tratamiento térmico de la fundición blanca. Estas fundiciones se someten a rígidos controles y dan por resultado una microestructura en la cual la mayoría del carbono está en la forma combinada de cementita, debido a su estructura la fundición blanca es dura, quebradiza y muy difícil de maquinar.

Resumen:

VI. ACEROSACEROS AL CARBONO

Más del 90% de todos los aceros son aceros al carbono. Estos aceros contienen diversas cantidades de carbono y menos del 1,65% de manganeso, el 0,60% de silicio

y el 0,60% de cobre. Entre los productos fabricados con aceros al carbono figuran máquinas, carrocerías de automóvil, la mayor parte de las estructuras de construcción de acero, cascos de buques, somieres y horquillas.

ACEROS ALEADOS

Estos aceros contienen un proporción determinada de vanadio, molibdeno y otros elementos, además de cantidades mayores de manganeso, silicio y cobre que los aceros al carbono normales. Estos aceros de aleación se pueden subclasificar en :

Estructurales

Son aquellos aceros que se emplean para diversas partes de máquinas, tales como engranajes, ejes y palancas. Además se utilizan en las estructuras de edificios, construcción de chasis de automóviles, puentes, barcos y semejantes. El contenido de la aleación varía desde 0,25% a un 6%.

Para Herramientas

Aceros de alta calidad que se emplean en herramientas para cortar y modelar metales y no-metales. Por lo tanto, son materiales empleados para cortar y construir herramientas tales como taladros, escariadores, fresas, terrajas y machos de roscar.

Especiales Los Aceros de Aleación especiales son los aceros inoxidables y aquellos con un contenido de cromo generalmente superior al 12%. Estos aceros de gran dureza y alta resistencia a las altas temperaturas y a la corrosión, se emplean en turbinas de vapor, engranajes, ejes y rodamientos.

ACEROS DE BAJA ALEACION ULTRARRESISTENTES

Esta familia es la más reciente de las cuatro grandes clases de acero. Los aceros de baja aleación son más baratos que los aceros aleados convencionales ya que contienen cantidades menores de los costosos elementos de aleación. Sin embargo, reciben un tratamiento especial que les da una resistencia mucho mayor que la del acero al carbono. Por ejemplo, los vagones de mercancías fabricados con aceros de baja aleación pueden transportar cargas más grandes porque sus paredes son más delgadas que lo que sería necesario en caso de emplear acero al carbono. Además, como los vagones de acero de baja aleación pesan menos, las cargas pueden ser más pesadas. En la actualidad se construyen muchos edificios con estructuras de aceros de baja aleación. Las vigas pueden ser más delgadas sin disminuir su resistencia, logrando un mayor espacio interior en los edificios.ACEROS INOXIDABLES

Los aceros inoxidables contienen cromo, níquel y otros elementos de aleación, que los mantienen brillantes y resistentes a la herrumbre y oxidación a pesar de la acción de la humedad o de ácidos y gases corrosivos. Algunos aceros inoxidables son muy duros; otros son muy resistentes y mantienen esa resistencia durante largos periodos a temperaturas extremas. Debido a sus superficies brillantes, en arquitectura se emplean muchas veces con fines decorativos. El acero inoxidable se utiliza para las tuberías y tanques de refinerías de petróleo o plantas químicas, para los fuselajes de los aviones o para cápsulas espaciales. También se usa para fabricar instrumentos y equipos quirúrgicos, o para fijar o sustituir huesos rotos, ya que resiste a la acción de los fluidos corporales. En cocinas y zonas de preparación de alimentos los utensilios son a menudo de acero inoxidable, ya que no oscurece los alimentos y pueden limpiarse con facilidad.

Algunos aceros resistentes al desgaste:1.-ACERO CON ALTO CONTENIDO EN CROMOLos aceros inoxidables son una gama de aleaciones que contienen un mínimo de 11% de Cromo. Este elemento crea una superficie “película pasivante”, extremadamente delgada, continua y estable. Esta película impide las reacciones químicas, esto significa que lo hace resistente a la corrosión.Proceso de Fabricación

Se inicia con la fusión de hierro, chatarra y ferro-aleaciones de acuerdo del grado del acero inoxidable a preparar, continua con una refinación para eliminar impurezas y reducir el contenido de carbono, posteriormente el acero líquido se cuela en continuo se contraen planchones y se forman rollos rolados en caliente. Para finalizar el proceso termina con el molino de laminación en frio, recocido y limpieza.La clasificación de esta se divide en

Aceros Inoxidables Martensíticos: “Elevada dureza (se puede incrementar por tratamiento térmico) y gran facilidad de maquinado, resistentes a la corrosión moderada. Son magnéticos y su contenido de cromo es de 10.5-18% y de carbono alcanza has 1.2%.

Aceros Inoxidables Ferriticos: Su contenido varía entre 12-18% pero el contenido de carbono de este es bajo no superan el 0.2%. Las propiedades básicas que tiene es buena resistencia a la corrosión, pero su dureza no es muy alta y no puede ser incrementada con tratamiento térmico.

Aceros Inoxidables Austeniticos: son los más utilizados por su amplia variedad, esta se le agrega niquel a la aleación por lo que la estructura cristalina del material se transforma en austenita. El cromo varia en 16-28 %, el niquel 3.5-22% y el molideno 1.5-6%. Sus propiedades son resistencia a la corrosión, excelentes factores de higiene-limpieza, fácil de transformar. Excelente soldabilidad, no se endurecen por tratamiento térmico y se puede utilizar tanto a temperatura criogénicas como a elevadas temperaturas.

2.-ACERO DÚPLEX

La microestructura de los aceros dúplex es bifásica, puesto que está compuesta por ferrita y austenita. La composición de la ferrita le confiere resistencia al acero y la austenita le brinda un grado de tenacidad mayor. Esta aleación normalmente, está compuesta por Cr(18 a 25%), Ni (entre 4,5 y 6,5%) y C (menos de 0,03%); además de Mo,N,Cu,W, elementos agregados para elevar la resistencia a la corrosión.

Las aleaciones de aceros inoxidables dúplex, por su elevada resistencia mecánica tienen un límite elástico entre 700-900 MPa. La resistencia a la fluencia es dos o tres veces mayor que los aceros inoxidables comunes, su resistencia a la tracción es 25% mayor y conservan una buena ductilidad a temperaturas normales de trabajo. Pueden ser usados en rangos de temperatura entre -40°C hasta 250°C lo que los hace aptos para ser usados en diversos entornos y aplicaciones (el acero dúplex más usado es el 2205 que tiene 22%Cr y 5% Ní.

TIP: En el año 1986 la Estatua de la Libertad fue reparada y renovada con este material, puesto que su exposición permanente a la atmósfera marina había ocasionado fuertes daños en su estructura, al reconstruirla con acero dúplex la estatua mejoró su resistencia mecánica y a la corrosión.

Leer: http://www.metalactual.com/revista/23/materiales_aceros.pdf

http://www.imoa.info/download_files/stainless-steel/Duplex_Stainless_Steel_Spanish.pdf

3. Acero HadfieldSon aceros austeníticos al manganeso, Según la norma ASTM-128 permite un rango de 1-1.4%C y 10-14%Mn, son aceros de alta dureza y ductilidad con una gran capacidad de endurecimiento por deformación Se utilizan mayoritariamente en aplicaciones donde se requiere resistencia al impacto y a la abrasión

Propiedades mecánicaso Alta dureza y ductilidado Gran capacidad de endurecimiento por deformacióno Buena resistencia al desgasteo Resistente al impacto y la abrasióno Resistencia a la fluencia de 345 a 415 MPao Difícil de maquinaro Baja resistencia a la corrosión o Elementos aleantes: C-Mn-Si-P-Cr-Ni.

Los aceros Hadfield son sometidos a tratamientos térmicos de endurecimiento, los cuales consisten en calentar a una temperatura lo suficientemente alta para disolver los carburos, seguido de un enfriamiento rápido en agua agitada

a temperatura ambiente para retener una mayor cantidad de carbono en la solución sólida metaestable. Estas aleaciones son no magnéticas, sin embargo, debido a la perdida de carbono y algo de manganeso desde la superficie durante la solidificación dentro del molde y durante el tratamiento térmico, algunas veces existe una capa magnética (martensita) sobre la superficie del metal como se observa

VII.ENSAYOS DE DESGASTE7.1.-Dry sand rubber/wheel abrasión test

Dry sand rubber/wheel abrasion test is one of the most widely used abrasion testing method. The abrasive, for example dry sand, is fed between the specimen and the rotating rubber wheel.

El ensayo de abrasión de arena seca y de la rueda de goma es uno de los métodos de ensayo de abrasión más utilizado. El material abrasivo que sería la arena se alimenta entre la muestra y la rueda de goma giratoria. Se analiza la pérdida de volumen de la probeta.

Descargar: https://www.youtube.com/watch?v=VlTl3_HS8Qc

7.2.-Prueba de abrasión de Bond

La prueba de abrasión fue desarrollada por Allis-Chalmers* mediante un método y un aparato utilizados por la Pennsylvania Crusher Division de Bath Iron Works Corp. El equipo consta de un tambor giratorio en el que se colocan las muestras de mineral seco, con una paleta de impactos montada en un eje central que gira a una velocidad superior a la del tambor. La paleta está hecha de aleación de acero endurecido estándar a 500 Brinell. El índice de abrasión se determina a partir de la pérdida de peso de la paleta en condiciones de funcionamiento normal.La prueba de abrasión Bond determina el índice de abrasión, que se usa para determinar el desgaste de los tubos y los medios de acero en trituradores, molinos de barras y de bolas. Bond desarrolló las siguientes correlaciones basadas en el índice de libras de desgaste de metal/kWh de energía utilizada en el proceso de trituraciónhttp://www.sgs.cl/es-ES/Mining/Metallurgy-and-Process-Design/Unit-Operations-and-Metallurgical-Services/Comminution-and-Beneficiation/Abrasion-Test.aspxhttp://preptech.de/en/materials-testing/bond-index-testing/Abrasion is the process of wearing down minerals and stones or rubbing away by means of friction. This is done using the contact of an object (calibrated Abrasion paddle) which is harder then the minerals to be treated (wearing)

7.3.- Pin on diskPIN-ON-DISK es un equipo que realiza estudios de desgaste de materiales, consta básicamente de un disco giratorio sobre el que se fija el material bajo ensayo y en ella se puede cargar un elemento tipo punzón, bola o superficie plana con un peso conocido.El manejo de los condiciones de ensayo y tratamiento de datos se controlan con el software MT4002, siendo los parámetros principales la fuerza de rozamiento, coeficiente de rozamiento, desgaste y temperatura. El equipo principal consta también de diferentes accesorios para obtener distintos condiciones de ensayo particulares:

Equipo de alta temperatura. Conjunto de accesorios para realizar un desgaste circular del material hasta 800oC, además tiene incorporado un termopar en la zona del elemento calefactor y otra en la zona de ensayo.

Equipo de temperatura con opción módulo lineal. Módulo que permite al tribómetro generar desplazamientos lineales en ambos sentidos hasta 40mm, además incluye una placa calefactor para calentar de manera controlada hasta 200oC.

Conjunto para ensayos de lubricación. Ésta permite realizar estudios de desgaste bajo condiciones de lubricación mediante un sistema de pulverización del lubricante bajo presión de aire en la muestra.

Puede trabajar en seco, en medio lubricante o en condiciones de atmósfera controlada de temperatura y humedad:

Ver video: https://www.youtube.com/watch?v=po8nPpQuc4w

VIII.CONCLUSIONES