caracterización de depósitos obtenidos con

VOL 41, Abril-Junio, 2014Editora: Yailet Albernas CarvajalISSN: 2223- 4861_________________________________________________________________________________________

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Copyright 2014. Este es un artculo de acceso abierto, lo que permite su uso ilimitado, distribucin yreproduccin en cualquier medio, siempre que la obra original sea debidamente citada._______________

* Autor para la correspondencia: Alfonso Rafael Fernndez Fuentes, E-mail: [email protected]

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Una Publicacinde la Editorial Feijo

Disponible en:http://centroazucar.qf.uclv.edu.cu

CARACTERIZACIN DE DEPSITOS OBTENIDOS CONELECTRODOS TUBULARES REVESTIDOS PARA EL RECARGUE

DE MEDIOS DE LABRANZA SOMETIDOS A DESGASTEABRASIVO EN EL SECTOR AZUCARERO

CHARACTERIZATION OF DEPOSITS OBTAINED WITH COATED TUBULARELECTRODES FOR HARDFACING OF FARM MEANS SUBJECTED TO

ABRASIVE WEAR IN THE SUGAR SECTORAlfonso Rafael Fernndez Fuentes1*, Amado Cruz-Crespo1, Rafael Ariza Gonalves2,

Amrico Scotti2 y Nelson Guedes De Alcntara3____________________________________________________________

1 Universidad Central Marta Abreu de Las Villas, UCLV, Carretera a Camajuan km 5 . Cuba2 Universidade Federal de Uberlndia, UFU, Brasil

3 Universidade Federal de So Carlo, UFSCar, Brasil

Recibido: Enero 7, 2014; Revisado: Marzo 15, 2014; Aceptado: Marzo 31, 2014______________________________________________________________________

RESUMEN

Se presentan resultados de caracterizacin de la microestructura y la dureza de depsitosobtenidos mediante recargue por soldadura manual, empleando electrodos tubularesrevestidos. Los electrodos contienen ferroaleacin del tipo FeCrMn como carga dealeacin en el alma tubular con dos rangos de granulometra (uno entre 0,1 y 0,25 mm yotro menor de 0,1 mm) y el revestimiento aplicado es de tipo bsico. La intensidad de lacorriente de soldadura (corriente continua con polaridad inversa) se vari entre 80 y 140A con pasos de 20 A, manteniendo la tensin entre 26 y 28 V y la velocidad desoldadura de 10 cm/min. La microestructura se analiz con microscopa electrnica debarrido con microanlisis. La dureza fue determinada mediante el mtodo Vickers. Eltipo de microestructura fue hipoeutctica en todas las condiciones experimentales,siendo ligeramente ms fina y dispersa para la condicin de soldadura con 80 A yferroaleacin con granulometra entre 0,1 y 0,25 mm, la cual mostr tambin la mayordureza.

Palabras clave: electrodo tubular revestido, recargue duro, recargue duro, desgasteabrasivo.

Fernndez et al. / Centro Azcar Vol 41, No. 2, Abril-Junio 2014 (pp. 1-11)

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ABSTRACT

Are present characterization results of microstructure and hardness of deposits obtainedby hardfacing by manual welding with coated tubular electrodes. The electrodescontaining in the rod core ferroalloy type FeCrMn as alloying with two ranges of grain(one between 0,1 and 0,25 mm and other less than 0,1 mm) and the applied coating isthe basic type. The welding current (direct current with inverse polarity) was set from80 to 140 A, with 20 A steps, keeping the tension between 26 and 28 V and weldingspeed 10 cm/min. The microstructure was analyzed using Scanner Electron Microscopywith microanalysis: The hardness was determined by Vickers method. The type ofmicrostructure was hipoeutectic in all experimental conditions, being slightly smallerand disperse at the condition of 80 A and ferroalloy with grains between 0,1 and 0,25mm, which also showed greater hardness.

Key words: coated tubular electrode, hardfacing, abrasive wear.

1. INTRODUCCINUn grupo considerable de medios de labranza en el sector azucarero resulta severamenteafectado por el desgaste abrasivo, durante la etapa de preparacin de tierras, comoresultado del continuo contacto con diferentes tipos de suelos. El desgaste abrasivo delos implementos de labranza puede provocar que estos pierdan la capacidad de trabajo;lo que incrementa los costos de produccin.Una alternativa, econmicamente viable, para atenuar los efectos del desgaste abrasivoy reducir costos de produccin es la recuperacin por soldadura de las zonasdesgastadas en los medios de labranza. Este tipo de recuperacin por soldadurafrecuentemente se realiza mediante el mtodo SMAW con electrodos revestidos, aunqueen la actualidad se trabaja en el desarrollo de otros consumibles de soldadura para estosfines, tal es el caso de los electrodos tubulares revestidos.El revestimiento del electrodo, utilizado para recargue duro, juega un papel importanteen el proceso SMAW, ya que es portador de los elementos de aleacin que garantizan laresistencia al desgaste del depsito; mientras que el ncleo del electrodo es responsablede conducir la corriente elctrica y depositar la masa metlica base. Adems de loselementos de aleacin, por el revestimiento se introducen tambin los componentesdestinados a garantizar las propiedades tecnolgicas de soldadura, en este caso estn loselementos desoxidantes, los estabilizadores del arco y los formadores de escoria y gases,entre otros [1]. Por esta razn se requiere un alto valor del factor de revestimiento(espesor de revestimiento con relacin al dimetro del ncleo) lo que trae consigolimitaciones operacionales tales como: dificultar la transferencia metlica y reducir latasa de fusin del electrodo.Las referidas limitaciones pueden ser controladas disminuyendo el factor derevestimiento, lo que se puede lograr mediante el empleo de un electrodo tubularrevestido en lugar del electrodo macizo convencional; para lo cual se aplica unrevestimiento exterior, ms fino, que aporte exclusivamente los componentesreguladores del comportamiento tecnolgico (estabilizadores del arco, formadores de


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escoria y gases, entre otros), mientras que la adicin de la carga que aporta loselementos de aleacin se realiza por el interior del alma tubular.Se ha demostrado que esta concepcin de electrodos tubulares revestidos para recargueduro por SMAW puede garantizar altos niveles de aleacin del depsito con un bajofactor de revestimiento [1, 2]; adems, desde el punto de vista operacional, se hareportado que los electrodos tubulares revestidos presentan un comportamiento quefavorece su empleo con bajas intensidades de corriente, por lo que comparados con loselectrodos revestidos con alma maciza posibilitan alcanzar una menor dilucin para lamisma tasa de deposicin [3].La posibilidad de emplear una menor corriente nominal con el uso de electrodo tubularrevestido permite mejorar el desempeo del mismo en el relleno superficial porsoldadura, donde resulta fundamental disminuir la dilucin, sin que se pierda con ellola capacidad de produccin. En este sentido, en la prctica industrial, se informa sobrela existencia de productos de tales caractersticas (electrodo tubular revestidoSTOODY-31) [4]; tambin, han sido publicados resultados del estudio delcomportamiento operacional (parmetros de consumo, transferencia metlica ygeometra de los depsitos) de electrodos tubulares revestidos para recargue duro porSMAW no comerciales, con nfasis en el efecto que sobre el depsito tienen laintensidad de la corriente de soldadura, combinado con la granulometra de laferroaleacin utilizada como carga de aleacin y la composicin del revestimiento [5,6].Se plantea que la composicin del revestimiento ejerce una importante influencia sobrela tasa de deposicin para una misma corriente de soldadura, de manera que el ancho delos cordones puede ser influenciado por la cantidad de fluorita en el revestimiento,mientras que la cantidad de rutilo influye en la penetracin [5].Por su parte, la granulometra de la carga de aleacin influye sobre el rendimiento y ladilucin; se ha demostrado que en el caso de electrodos tubulares revestidos, con cargade aleacin tipo Fe-Cr-Mn, el incremento de la granulometra a valores entre 0,1 y 0,25mm permite aumentar la tasa de deposicin y disminuir la dilucin [6].En los referidos trabajos [5, 6], sin embargo, no fue verificada la influencia de lascitadas variables de control sobre las caractersticas mecnico-metalrgicas deldepsito, a pesar de que son estas las que definen el comportamiento y por tanto laaplicacin de los mismos. Este tipo de informacin tampoco se encuentra de manerasistemtica en los documentos comerciales de los electrodos tubulares revestidos pararecargue duro [4].Partiendo de estos antecedentes y considerando el inters terico-prctico que puedeexistir por el asunto tratado, en el presente trabajo se evala el efecto que tienen laintensidad de la corriente de soldadura y la granulometra de la carga de aleacin sobrela microestructura y la dureza de depsitos obtenidos con electrodos tubularesrevestidos; lo que permitir contar con informacin de valor tecnolgico para eldesarrollo de nuevos consumibles con aplicacin en recargue duro.


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2. MATERIALES Y MTODOSLa estrategia experimental aplicada se centra en la evaluacin del comportamientomecnico-metalrgico (microestructura y dureza) de depsitos para recargue duro(obtenidos con electrodos tubulares revestidos no comerciales, a los que anteriormentese les evalu el comportamiento operacional [7]) en funcin de la intensidad de lacorriente de soldadura y de la granulometra de la ferroaleacin introducida como cargade aleacin en el interior del electrodo tubular revestido; se aplica un diseoexperimental totalmente al azar, empleando el paquete estadstico SPSS-18 para elanlisis de los resultados.El dimetro de los electrodos (valor nominal, referente al dimetro externo del almatubular metlica) fue de 4 mm y la longitud de 430 mm. El alambre tubular, con la cargade aleacin en su interior, fue revestido mediante inmersin con factor de revestimientode 1,5, manteniendo invariable la composicin del revestimiento bsico, compuesto de:Caliza (CaCO3), Fluorita (CaF2), Rutilo (TiO2) y grafito, aglutinados con silicato desodio.La granulometra de la ferroaleacin (tipo FeCrMn: Cr-42 %, Mn-24 %, Fe-18 %, C-5%, Si-5 %), introducida como carga de aleacin en el interior del electrodo tubularrevestido denominado ETR-1, se mantuvo entre 0,1 y 0,25 mm, mientras que para elelectrodo tubular revestido, denominado ETR-2, fue menor que 0,1 mm.Los depsitos fueron obtenidos sobre planchas de acero AISI 1020 con espesor de 9mm, aplicando 4 niveles de intensidad de la corriente de soldadura (CC+) - 80, 100, 120y 140 A, respectivamente - con tensin regulada de manera que el arco fuera corto,manteniendo la velocidad de soldadura constante (10 cm/min); estas condiciones fueronlogradas empleado un dispositivo simulador de soldadura manual que permite mantenerla tensin y la velocidad predefinidas [3].Una vez obtenidos los depsitos, para el anlisis microestructural y la medicin de ladureza, se procedi a cortar muestras en direccin transversal a los cordones. Lapreparacin de las muestras para la evaluacin de la microestructura, consisti endesbaste, seguido de pulido con pasta de diamante de 3 y 1 m y ataque con NITAL 2% [8].La observacin de la microestructura, la determinacin de su composicin qumicamediante EDS y la adquisicin de las imgenes se realizaron en un microscopioelectrnico de barrido LEICA - Stereoscan 440; para el procesamiento de imagen y elanlisis cuantitativo de la microestructura se aplic el software Image J [9].La dureza fue medida por el mtodo Vickers con durmetro HECKERT-VEB/JENAmodelo HPO 250, aplicando una carga de 1 kgf durante 15 s, segn la norma ASTME92-82 [10].

3. RESULTADOS Y DISCUSINComo se observa en las figuras 1 y 2, para los diferentes niveles de la intensidad de lacorriente de soldadura y de la granulometra empleados, la microestructura es delmismo tipo y est formada por dendritas con eutctica interdendrtica; dichamicroestructura, segn la literatura, puede ser catalogada como hipoeutctica [11]. Apesar de que en todos los casos se aprecia una similitud en cuanto al tipo de


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micoroestructura, se distinguen algunas diferencias en relacin al tamao y laproporcin de los micro-constituyentes presentes.

a b

c dFigura 1. Microestructura de los depsitos obtenidos con el electrodo ETR-1 (granulometra0,1-0,25 mm), con corriente de soldadura de 80, 100, 120 y 140 (a, b, c y d respectivamente).

a b


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c dFigura 2. Microestructura de los depsitos obtenidos con el electrodo ETR-2 (granulometramenor que 0,1 mm), con corriente de soldadura de 80, 100, 120 y 140 (a, b, c y drespectivamente).

Desde el punto de vista del tamao de los micro-constituyentes, la diferencia se acentapara el caso del electrodo ETR-1 (con intensidad de la corriente de soldadura de 80A),que provoca un refino microestructural apreciable, en comparacin con el resto de lascondiciones experimentales (figura 1a).Con relacin a la proporcin de los micro-constituyentes, la cuantificacin de laeutctica interdendrtica (figura 3) corrobora las diferencias apreciadas en lamicroestructura; mientras que el anlisis de varianza indica que sobre esta variableexiste un efecto significativo de la intensidad de la corriente de soldadura y suinteraccin con la granulometra (p


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y cantidad de regin interdendrtica, mientras que en el segundo implican refinomicroestructural [12, 13]. Por tanto, la composicin qumica y las condiciones deenfriamiento son los aspectos fundamentales a tener en consideracin para explicar lasdiferencias microestructurales observadas en las figuras 1 y 2.En este sentido, con el anlisis de varianza se verifica que la composicin qumica de laeutctica interdendrtica (figura 4) no muestra diferencias estadasticamentesignificativas bajo el efecto de la corriente de soldadura y de la granulometra (p0,01),confirmndose la formacin en todos los depsitos de una eutctica interdendrticacompuesta por 2,4% de Si, 23,9% de Cr y 8,9% de Mn, como elementos de aleacinfundamentales.

Figura 4. Variacin de la cantidad de Si, Cr y Mn en la eutctica, para los diferentes niveles deintensidad de la corriente de soldadura y granulometra, expresada por el intervalo de confianzade la media para un 95 % de significacin estadstica.


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Para el caso de las dendritas, por el contrario, s se evidencia un efecto estadsticamentesignificativo (p


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De acuerdo con los resultados descritos anteriormente, que muestran que lacomposicin qumica de la eutctica es similar en todas las condiciones, mientras que lacomposicin qumica de las dendritas primarias y la proporcin de micro-constituyenteses diferente, permite establecer que sobre la microestructura existe una influenciapredominante de la composicin qumica de la aleacin, con efecto no significativo delas condiciones de enfriamiento. De esta manera se puede plantear que la corriente desoldadura y su interaccin con la granulometra tienen una influencia significativa sobrela microestructura de los depsitos obtenidos.Los resultados de la variacin de la dureza en funcin de la intensidad de la corriente desoldadura para ambos electrodos se muestran en la figura 6. En correspondencia con elefecto de refino microestructural y el incremento en constituyente eutctico observadopara el electrodo ETR-1 con corriente de soldadura de 80 A (figuras 1a y 3,respectivamente), se tiene el mayor valor de dureza (527 HV), observndose unaconsiderable cada de dureza para la corriente de soldadura de 100 A (384 HV), seguidade un ligero incremento paulatino de la misma para corrientes de soldadura de 120 y140 A (425 y 468 HV). Para el electrodo ETR-2 (granulometra menor que 0,1 mm) seaprecia un ligero incremento de la dureza al pasar de los menores valores de laintensidad de la corriente de soldadura (80 100 A) a valores mayores (120 - 140 A).Como se aprecia del anlisis detallado de las figuras 3 y 6, el comportamiento del porciento de eutctica en la microestructura y de la dureza en funcin de la corriente desoldadura muestran tendencias relativamente similares. Por tanto, es un hecho evidenteque la presencia de la eutctica juega un papel gobernante sobre la dureza yconsecuentemente, tal como se plantea en la literatura [14], sobre el desempeo aldesgaste para depsitos de este tipo de aleacin.

Figura 6. Variacin de la dureza con la intensidad de la corriente de soldadura, para loselectrodos ETR-1 y ETR-2.

Toda vez que la condicin de servicio fundamental a que se destinan los depsitos delos electrodos estudiados es al recargue para enfrentar el desgaste abrasivo, la condicinmejor, dentro de las estudiadas, corresponde al electrodo con carga de aleacin degranulometra entre 0,1 y 0,25 mm con una corriente de soldadura de 80 A, ya que


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propicia mayor cantidad de eutctica y mayor valor de dureza, parmetros que influyenfavorablemente sobre la resistencia al desgaste abrasivo [14].

4. CONCLUSIONES

En depsitos obtenidos mediante soldadura SMAW con electrodos tubulares revestidosque contienen ferroaleacin del tipo FeCrMn como carga aleante con dos rangos degranulometra (uno entre 0,1 y 0,25 mm y otro menor de 0,1mm), las variaciones de laintensidad de la corriente de soldadura, en los niveles de 80, 100, 120 y 140 A,manteniendo la tensin entre 26 y 28 V con velocidad de soldadura de 10 cm/min, noconducen a cambios significativos en el tipo de microestructura; la cual es fundicinblanca aleada de tipo hipoeutctica, siendo ms fina y dispersa con dureza notablementeincrementada para la condicin de soldadura con corriente de 80 A y carga de aleacinde granulometra entre 0,1 y 0,25 mm, que se considera la mejor condicin dentro de lasestudiadas para enfrentar el desgaste.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen a LAPROSOLDA-UFU, CCDM-UFSCar, as como a CAPES deBrasil y al MES de Cuba por el apoyo brindado en el marco del convenio CAPES/MES.

REFERENCIAS

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3. Cruz, A; Scotti, A; Rodrguez, M: Operacional behaviour assesment of coatedtubular electrodes for SMAW hardfacing. Journal of Materials ProcessingTechnology 199 (No): 265-273; 2008.

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6. Cruz, A; Fernndez, A; Scotti, A: Efecto sobre la dilucin de la granulometra dela ferroaleacin en el alma de electrodos tubulares revestidos bajo la influenciade la composicin del revestimiento. Soldagem e Inspeo 16(1): 79-85, 2011.

7. Cruz, A; Scotti, A; Rodrguez, M: Estudio comparativo de los parmetros deconsumo y geometra de los depsitos de electrodos tubulares revestidos pararecargue. En: 8vo Congreso Iberoamericano de Ingeniera Mecnica, CIBIM,Lima, Per, 2007.


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8. ASTM E301, Standard Guide for Preparation of Metallographic Specimens,ASTM International, USA.

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10. ASTM E92-82, Standard Test Method for Vickers Hardness of MetallicMaterials, ASTM International, USA.

11. Blsamo, P; Scotti, A; Mello, J: Interpretacin de la Microestrutura deRecarques Duros Depositados por Soldadura Utilizando la Superfcie deLquidus de Diagramas Fe-Cr-C, Revista de Soldadura 25(4): 199-207, 1995.

12. Kuo, S: Welding metallurgy. Wiley & Sons, New Jersey, USA, 2002, 461.13. Danielle, B; Sueli, F; Sofia, A: Evaluation of Deposition Current and Powders

Grain Size During PTA Welding. Soldagem e Inspeco, 16(1): 53-61, 2011.14. Buchanan, V; Shipway, P; McCartney, D: Microstructure and abrasive wear

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