comimsa€¦ · personal llamado posgrado, compartimos muchas cosas. me llevo un grato recuerdo de...
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CORPORACIÓN MEXICANA DE INVESTIGACIÓN EN MATERIALES
DIVISIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO
POR
®
COMIMSA
'Estudio del efecto de la perforación de aceros por corte
híbrido para la unión de largueros HSLA"
LUIS MARIO ZUNIGA ORTIZ
TESIS
MAESTRÍA EN TECNOLOGÍA
DE LA SOLDADURA INDUSTRIAL
Saltillo, Coahuila; 11 de Diciembre del 2015
CORPORACIÓN MEXICANA DE INVESTIGACIÓN EN MATERIALES
DIVISIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO
'Estudio del efecto de la perforación de aceros por corte
híbrido para la unión de largueros HSLA"
POR
LUIS MARIO ZUNIGA ORTIZ
TESIS
MAESTRÍA EN TECNOLOGÍADE LA SOLDADURA INDUSTRIAL
Saltillo, Coahuila; 11 de Diciembre del 2015
Corporación Mexicana de Investigación en Materiales
Gerencia de Desarrollo Humano
División de Estudios de Posgrado
Los miembros del Comité Tutorial recomendamos que la Tesis "ESTUDIO
DEL EFECTO DE LA PERFORACIÓN DE ACEROS POR CORTE HÍBRIDO
PARA LA UNIÓN DE LARGUEROS HSLA", realizada por el alumno (a) LUIS
MARIO ZÚÑIGA ORTIZ, con número de matrícula 14-MS038 sea aceptada para
su defensa como Maestro en Tecnología de la Soldadura Industrial.
E
I
Dr. Everardo Efrén Granda
Gutiérrez
Codirector de Tesis
Dr. PécIrcA^érez^mlanuáv;
Tutor de Pranta
Vd.Bo.
Arturo Reyes Valdésinador de Posgrado
^
Corporación Mexicana de Investigación en Materiales
Gerencia de Desarrollo Humano
División de Estudios de Posgrado
Los abajo firmantes, miembros del Jurado del Examen de Grado del
alumno LUIS MARIO ZÚÑIGA ORTIZ, una vez leída y revisada la Tesis titulada
"ESTUDIO DEL EFECTO DE LA PERFORACIÓN DE ACEROS POR CORTE
HÍBRIDO PARA LA UNIÓN DE LARGUEROS HSLA", aceptamos que la
referida Tesis revisada y corregida, sea presentada por el alumno para aspirar al
grado de Maestro en Tecnología de la Soldadura Industrial durante el Examen
de Grado correspondiente.
Y para que así conste firmamos la presente a los 11 días del mes de diciembre
del año 2015.
- V :. i . .
?s Martínez
EnriquezPresidente
Dr. FelLpe^de Jesús^GarcíaVázquezSecretario
AgradecimientosPor ayudarme a llevar a cabo éste trabajo y verlo concluido,agradezco el apoyo de:
CONACYT: Por haberme brindado una
beca de manutención durante todo el
periodo de realización del trabajo.
"¡JLnimo!. Todo pasa. Jíma tu trabajo y nodejes decumplir tudeber cada día."
Don (Sosco
«» «» «»
COMIMSA: Por haberme aceptado comoun estudiante de la maestría en soldadura,
además por todos los apoyos brindadospara poder concluir la investigación.
"Saber no essuficiente; tenemos que aplicarlo.Tener voluntadno essuficiente: tenemos que
implementarCa."
(joethe
Dr. Héctor Hernández y Dr. EverardoGranda: Quienes me aceptaron comoestudiante bajo su dirección para concluir latesis, a ellos les corresponde parte delcrédito de éste trabajo, no obstante por el
tiempo que invirtieron y sus asesorías, perosobretodo agradezco su gran paciencia a lolargo de todo este tiempo.
"(Educar es tenerfe en lapersona que se educa. <Elcumplido más sincero que lepuedes hacera tuhijo,esdemostrarle que tefías de él, dándole libertad'
Jlnónimo
«» «» «» «» «» «»
Dr. Arturo Reyes y al Dr. Pedro Pérez:gracias a ellos dos por facilitar los apoyosnecesarios durante todo el periodo de mi
posgrado para la realización de la
investigación. Gracias por hacerme partede la historia de COMIMSA.
"(Elconocimiento seaprende pormedio delestudio. Lasabiduría pormedio de la observación "
E. López«» «» «» t t t «» «» «»
Todo el personal que integra la gerenciade desarrollo humano: tanto a doctores,
secretarias, y auxiliares, a todas esas
personas maravillosas, que me permitieron
la oportunidad de conocernos ycontribuyeron directa e indirectamente a
realizar e integrar el presente documento.
Gracias por su paciencia y amistad.
"1)n amigo es lapersona que nos marca unrumbo y recorre con nosotros una parte delmismo"
(Francisco Jilberoni«» o « It í i o <sr» «»
PhD Wayne Hung: Por granhospitalidad y permitir el uso de sulaboratorio en la universidad de Texas
A&M para la realización de mi caso de
estudio y el apoyo para la revisión deuna publicación.
"Elmodo de dar una vez en elclavo es dar cien
veces en la herradura."
'Manuelde Vnamuno
A todos mis compañeros y amigos, que
fuimos parte de un programa de superaciónpersonal llamado posgrado, compartimosmuchas cosas. Me llevo un grato recuerdo
de cada uno de ustedes. Medy, Alejandra,Selma, Octavio, Sheyla, Saúl, Dany, Ornar,
Diana, Verónica, Ana, Ricardo, Rene, ect.
Nombrar a todos y cada uno me daría una
larga lista, pero cada uno de ustedes se
integrara a esa lista.
Elauténtico amigo esel que sabe todo sobre
tiy sigue siendo tuamigo.
%urt Cobain
«» «» «» «» «» «»
Mis Padres: Su apoyo fue de granimportancia para empezar y concluiréste trabajo. Gracias por estar siempreanimándome a seguir adelante y ser
ese motor que me impulsa a superarme
día a día, son mi ejemplo a seguir. Detodo corazón, mil gracias.
"(Dicen que elpadre que ama a sus hijos eselhombre que se ha convertido en papá."
Jlnónimo
"Elporvenir de un hijo essiempre obra de sumadre"
Napoleón
"Vna madre tiene algo de (Dios y mucho deángel."
José Temandez del Cacho
«» «» «» É fi fi «» «» «»
A Dios, doy gracias por todas lasbendiciones que me brinda: vida, salud,
inteligencia, familia, amistades, pordarme la paciencia, fortaleza y la fe paraseguir por un futuro incierto que va a serla historia de mí vida, le agradezco por
cada etapa superada en ella.
"Enhorabuena por este otro peldaño que hasalcanzado con laayuda de (Dios, (Dios teguarde y
tede lasabiduría para tomar lasmejoresdecisiones de tu vida"
Jlnónimo
fi ü fi «r» «r» «>
Dedicatorias
Le dedico con todo mí amor y cariño el fruto del esfuerzo y perseverancia despuésde dos años de trabajo, reflejado en la tesis terminada:
A ti Dios que me diste una familia tan
maravillosa como la mía, por permitirmellegar a este momento de mi vida, por los
triunfos y las dificultades en el camino queme han enseñado a valorarte a través de
mis seres queridos.
"Hay unafuerza motriz más poderosa que elvapor, laelectricidady laenergía atómica. Esa
fuerzaes lavoluntad
-Jlnónimo
«» «» «»
A mis padres, las personas que me han
acompañado durante toda mi vida, aunqueno se encuentren físicamente a mi lado,
pero sé que cuento con su apoyo y sé quevan a respetar mis decisiones de vida. Todo
el sacrificio que han hecho tiene susrecompensas, espero que encuentren en
mí todas esas recompensas, buscandonunca defraudarlos. Cada uno de mis
triunfos se los dedico a mis padres. Doygracias por todo lo que me han dado yapoyarme hasta donde les ha sido posible.
Si he logrado ser la persona que soy esgracias a ustedes. Los amo mucho.
"Vn niño siempre puede enseñar tres cosas a unadulto: aponerse contento sinmotivo, a estarsiempre ocupado con algo y a saber exigir con
todas susfuerzas aquello que desea."
(PauloCoelho
I 4 f «» «» «»
A mis hermanos Leonel, Joshua, y Karla,Sepan que los quiero mucho, les tengo ungran aprecio a cada uno de ustedes,
también han sido una inspiración y unejemplo a seguir para superarme día a día.
"(Por muy larga que sea la tormenta, elsolsiempre vuelve a brillar entre lasnubes."
Xhalilgibran
«» «» «» «» «» «»
A Fernanda, Fabiola y Mariana, son mis
tres solecitos, las conozco desde que
nacieron y les he tomado un gran cariño a
cada una. Tal vez no nos veamos muyseguido pero pienso en ustedes y les deseoque lleguen tan lejos como se lo propongan.
"Las grandes obras son hechas no con lafuerza,sino con laperseverancia."
SamuelJohnson
«» «» «» it 2 B «a> «» «»
A todos mis familiares, quisiera
nombrarlos a cada uno de ustedes pero son
varios. Les estoy completamenteagradecido por formar parte de esta familia
pequeña.
"Lo importante no esloque teocurre, sino comoCo afrontas... "
J. M .Serrat
A Reyna I. Pérez B., eres una persona ' "Jtqttelque no hafracasado nunca, es que nomaravillosa, me enseñaste muchas cosas ha intentado nada'cuando estuvimos los dos juntos, por OgMandinodesgracia no duro mucho tiempo. Te dedico ^ ese tmtmte qm dum t0¿a umparte de mi trabajo porque tú me animaste eternidaden mi alma."para concluirlo en tiempo, porti puse mucho j\nónimoempeño. Te agradezco mucho todo eltiempo que pasamos juntos. Me gustó ''La vida no ha sido lafiesta que habíamospasaruna tarde a tu lado viendo películas O imaginado, peroya que estamos aquí, bailenws"simplemente caminando. E.jAramburu
"La peor forma deextrañara afamen es estarsentado a su lado y saber que nunca lo podrás ((>> {<>> (<>> f j j (<>> f<>> t<>>tener."
(jabricl (jarcia Márquez
«» «» «» M M M «» «» «»
Querido lector dedícale dedíquele un tiempo breve a leer para reflexionar
algunas de las siguientes frases:
Vn proyecto malplaneado se lleva tres veces el tiempo estimado para terminarse, uno bienplaneado tomará solamente el doble.
¡Ningún experimento esnunca un completofracaso, puede servir como un malejemplo.
Leyes de Murphy
Si algo tiene laposibilidadde salir mal, saldrá mal.
Edwardj\. Murphy Jr.
"(Después de escalar una montana muy alta, descubrimos que hay muchas otras montañas porescalar."
!Kelson 'Mándela
"Sigue adelante. (Elpróximo esfuerzo tedará nuevas alegrías"
ÍM.J. Márquez
"Es hora de irala Vniversidadpara hacer una carrera y llegar alto. Ten Cas ideas claras, porquetoda tuvida dependerá deeste paso"
Tilar (Rodríguez
"Enhorabuena por este otro peldaño que has alcanzado con laayuda de (Dios, (Dios te guardeytede lasabiduría para tomar las mejores decisiones de tuvida"
Jlnónimo
Lasabiduría nos llega cuando ya no nos sirve de nada.gabrielgarcía Márquez
Contenido• •
SÍNTESIS
CAPITULO 1: INTRODUCCIÓN
1.1 Antecedentes 2
1.2 Objetivos 4
1.2.1 Objetivo general 4
1.2.2 Objetivos específicos 4
1.3 Justificación 5
1.4 Planteamiento del problema 5
1.5 Preguntas de investigación 6
1.6 Definición de hipótesis 6
1.7 Alcances y limitaciones 7
CAPÍTULO 2: ESTADO DEL ARTE 8
2.1 Maquinado por electroerosión 8
2.1.1 Descripción del proceso 9
2.1.2 Principio de operación 9
2.1.3 Parámetros del proceso EDM 13
2.1.4 Efectos del proceso EDM en el material 17
2.1.4.1 Zona afectada térmicamente (ZAT), y material fundido 18
2.1.4.2 Razón de desgaste del electrodo 20
2.2 Maquinado electroquímico (ECM) 22
2.2.1 Descripción del proceso 22
2.2.2 Principio de operación del ECM 23
2.2.3 Parámetros del proceso del ECM 25
2.1.4 Efectos del proceso ECM en el material 26
2.3 Maquinado híbrido electroquímico asistido por descargas eléctricas. (ECDM) 29
2.3.1 Maquinado ECM después del EDM 33
2.4 Aceros de alta resistencia y baja aleación (HSLA) 35
2.4.1 Propiedades y usos 36
2.4.2 Metalurgia de los aceros HSLA 39
CAPITULO 3: DESARROLLO EXPERIMENTAL 42
3.1 Primera etapa
3.1.1 Caracterización metalográfica del material
3.1.2 Diseño experimental
3.2 Segunda etapa
3.2.1 Preparación de las muestra
3.3 Tercera etapa
CAPÍTULO 4: DISCUSIÓN DE RESULTADOS 53
4.1 Primera etapa 53
4.1.1 Caracterización del metal base 54
4.2 Segunda etapa 55
4.2.1 Caracterización de las perforaciones 55
4.2.2 Perforaciones por EDM 55
4.2.3 Perforaciones por ECM 69
4.3 Tercera etapa 76
4.3.1 Perforaciones por ECDM 76
4.3.2 Análisis estadístico de ECDM 80
CAPÍTULO 5: CONCLUSIONES, RECOMENDACIONES Y TRABAJO A FUTURO 83
43
del material 43
44
46
R0CES0 DE CORTE 47
50
LISTADO DE FIGURASJ 87
LISTADO DE TABLAS 90
BIBLIOGRAFÍA 91
RESUMEN AUTOBIOGRÁFICO 97
^
Síntesis
En el presente documento se discuten los resultados obtenidos de la
experimentación de un proceso híbrido de corte no convencionales que combina
los principios de maquinado de electroerosión y electroquímico, donde se hace
la comparación de los dos procesos por separado y la combinación de los
procesos antes mencionado. Se evalúa la superficie de corte de cada una de las
perforaciones hechas con microscopía óptica y de barrido de electrones aplicada
en un acero de alta resistencia y baja aleación.
Los resultados obtenidos del proceso de electroerosión muestran que la
superficie de la perforación presenta zona afectada térmicamente, además de la
formación de micro grietas, difusión de cobre procedente de electrodo, sobre
corte en las perforaciones con respecto al diámetro del electrodo.
En cuanto al proceso electroquímico la superficie no presenta zona afectada
térmicamente, sin embargo, presenta disolución de fase preferencial debido al
electrolito y a las condiciones de maquinado, adicionalmente, provoca corrosión
superficial en la perforación y en la superficie de la pieza. El sobre corte es mayor
al que presenta el proceso de electroerosión, el mayor sobre corte se presenta
en la parte superior de la perforación.
El resultado obtenido al combinar los dos principios de electroerosión y
electroquímico resulta en una disminución de la zona afectada térmicamente, no
presenta disolución preferencial de una fase, presenta sobre corte en la entrada
menor al proceso de electroquímico pero mayor al electroerosión, en cuanto al
tiempo maquinado, se encuentra en un tiempo menor que el electroquímico y
mayor al de electroerosión.
'
CAPITULO 1:
INTRODUCCIÓN
1.1 Antecedentes
Actualmente la industria automotriz manufactura vehículos que son más
eficientes con el combustible. Bajo este concepto, reducen el peso de los
vehículos empleando materiales de última generación como son: los aceros de
alta resistencia y aceros tratados térmicamente (DP, aceros doble fase; HSLA,
aceros de alta resistencia y baja aleación; TRIP, aceros transformados por
plasticidad; por sus siglas en inglés).
Las piezas de los vehículos que se elaboran en base a aceros de alta
resistencia son conformadas mecánicamente por estampado y, posteriormente
el metal excedente se retira por corte. Durante este proceso los aceros adquieren
diferentes propiedades mecánicas. Una de estas es el incremento de la
resistencia última a la tensión debido al endurecimiento por deformación. Cabe
mencionar que el objetivo en estos procesos es reducir los tiempos y costos en
los procesos de corte de excedentes de material.
Los aceros durante la deformación plástica alcanzan su máxima resistencia
última a la tensión requerida con el mínimo de espesor, en consecuencia
, ••>: >-' ••'• »:
incrementa la dureza. La operación de corte se realiza mediante procesos
convencionales; por lo tanto, el incremento de la dureza del material reduce el
tiempo de vida útil del herramental, ya que este proceso se basa en el
desprendimiento de material por fricción. Además, este desgaste implica
remplazo y un número de paros continuos en la operación de corte.
Recientemente, están siendo utilizados procesos de corte no convencionales
que no son limitados por la dureza del material. Algunos de estos procesos son:
chorro de agua con abrasivo y el corte con rayo láser. Sin embargo, en el caso
del chorro de agua-abrasivo, tiene el inconveniente de que no tiene alta precisión
en el corte. En contra parte, el láser es preciso pero presenta una zona afectada
térmicamente, que modifica de manera negativa las propiedades de las zonas
críticas de unión en los vehículos.
Actualmente, existen otras alternativas innovadoras de procesos de corte no
convencionales, las cuales son utilizadas en materiales con alta dureza
empleando procesos electroquímicos y erosión por descargas eléctricas.
Generalmente, se usan en aleaciones de aceros grado herramienta, aleaciones
de níquel, tungsteno, matrices para inyección de plásticos, componentes
aeroespaciales y fabricación de herramientas.
Con base en lo anterior, en este trabajo de investigación se propone estudiar
procesos no convencionales para la perforación de acero, así como el efecto en
la zona perforada, en un proceso alternativo de corte con potencial de ser
utilizado en procesos de ensamble de componentes para la industria automotriz.
1.2 Objetivos
1.2.1 Objetivo general
Analizar los resultados obtenidos al variar los parámetros que tengan mayor
efecto en la remoción de material y, evaluar la superficie de la perforación hecha
en los aceros HSLA empleando un sistema de corte híbrido basado en un
proceso electroquímico en conjunto con erosión por descargas eléctricas.
1.2.2 Objetivos específicos
1. Realizar revisión bibliográfica de los sistemas de maquinado
electroquímico y por electroerosión.
2. Identificar las variables de operación del sistema híbrido que tengan mayor
efecto en la remoción de material.
3. Establecer las variables para configurarlo en un diseño de experimentos
factorial y evaluar las variables de respuesta del efecto sobre el acero HSLA,
tiempo de maquinado, la razón de material removido y la conicidad de las
perforaciones.
4. Realizar los ensayos pertinentes para inspeccionar la superficie de las
perforaciones mediante Microscopía Electrónica de Barrido.
'
1.3 Justificación
No se cuenta con la información suficiente que describa la factibilidad y
viabilidad de usar una tecnología híbrida de un sistema de electroerosión con un
electroquímico, y de cuáles son los efectos sobre los aceros HSLA; la información
disponible se enfoca a determinar la factibilidad del micromaquinado. Con la
presente investigación, se pretende identificar los efectos en los materiales en
aceros microaleados cortados con el sistema híbrido llevados a una escala mayor
a la que se reporta actualmente. Además, se identifican los parámetros más
significativos que promueven la remoción de material y el acabado superficial,
con el fin de determinar si el proceso de corte es viable dentro del ramo
automotriz, es decir, reducir el tiempo de perforación de aceros micro-aleados,
logrando así, optimizar los recursos energéticos para disminuir gastos por
operación.
1.4 Planteamiento del problema
Se propone utilizar un sistema de corte no convencional híbrido basado en
la electroerosión por descargas eléctricas pulsantes, con el fin de realizar
perforaciones en aceros de alta resistencia y baja aleación antes de ser unidos
por cualquier proceso dentro de la industria automotriz.
Actualmente, el sistema híbrido para la perforación de acero de uso
automotriz que se hace mención, no se ha desarrollado a nivel industrial-
nacional, solo para la fabricación de microcomponentes (es decir, manufactura
de componentes en una escala micrométrica). El impacto de este estudio es
plantear la posibilidad de que este sistema se use en la perforación y ensamble
de componentes automotrices, así como determinar los efectos de la remoción
de material en el acero hechas por el sistema combinado, considerando las
variables de corriente, voltaje y gap (distancia entre electrodo y pieza de acero).
1.5 Preguntas de investigación
¿Cuáles son las variables que afectan en la remoción de material en un acero
microaleado en el sistema híbrido?
¿Cuánto tiempo se tarda en realizar una perforación dadas ciertas
condiciones?
¿Cuáles son los efectos de la perforación en el acero con base en las
variables propuestas?
¿Qué relación tienen las variables con la conicidad del corte en un acero
micro aleado y el tiempo empleado para el maquinado?
1.6 Definición de hipótesis
Mediante un proceso híbrido para el maquinado electroquímico asistido por
descargas eléctricas es factible realizar perforaciones en aceros micro aleados,
ajusfando los parámetros del proceso para trabajar con diámetros en una escala
macro métrica en diámetros mayores a 2 milímetros reduciendo las alteraciones
en la superficie de corte, tales como una zona afectada térmicamente o cambio
de composición química y conservando la precisión de un corte recto.
6
1.7 Alcances y limitaciones
El alcance que se pretende es determinar la factibilidad de realizar las
perforaciones en una escala dimensional macro métrica (en el orden de algunos
milímetros), y observar los efectos sobre los aceros microaleados al modificar los
parámetros más significativos del proceso híbrido: nivel de corriente, ciclo de
trabajo y concentración de soluto
Mediante el análisis del estado del arte y del diseño de experimentos se
establecerá la información necesaria para determinar la factibilidad de maquinar
aceros microaleados, la cual se plasmará en el documento de tesis y en una
publicación científica arbitrada, además de la difusión en congresos relacionados
con el tema.
•
CAPITULO 2:
ESTADO DEL ARTE
En este capítulo se describen los dos procesos de corte: 1) erosión por el
proceso electroquímico y 2) por descargas eléctricas. Adicionalmente, se
describen algunos aspectos relevantes de los aceros de baja aleación y alta
resistencia como lo son las microestructuras, sus propiedades tanto mecánicas
como químicas y sus aplicaciones por mencionar algunas generalidades.
2.1 Maquinado por electroerosión
Se describe el funcionamiento del proceso de maquinando por electroerosión
(EDM por sus siglas en ingles), su importancia e impacto dentro de la industria,
los efectos sobre los materiales que son maquinados bajo este proceso así como
las limitaciones del mismo. Todo esto con la finalidad de conocer los fenómenos
que ocurren para predecir los efectos del proceso.
.
I
2.1.1 Descripción del proceso
Los orígenes de la electroerosión datan sobre el principio de remoción de
material por descargas eléctricas en los materiales conductores [1]. No obstante,
en 1930 se desarrolló la primera máquina de electroerosión para maquinar
metales y diamantes. Reportes en la literatura [2] sugieren canalizar y controlar
los efectos de las descargas eléctricas para remover material de una pieza de
trabajo. Años después se desarrolló un sistema de control para controlar el
tiempo de descarga (circuito resistencia-capacitor) y, se aplicó un servo control
para mantener una distancia constante entre los electrodos. [3]
Décadas después se fueron dando mejoras con la aplicación del control
numérico en los sistemas de posicionamiento, se empezaron a utilizar diferentes
tipos de fuentes de energía que suministraban en forma más controlada las
descargas, así como la implementación de los sistemas de controles adaptativos
para incrementar la remoción de material. Todos estos avances mejoran la
eficiencia del proceso para tener un sistema de remoción de material más estable
entre el corte y el material. [4, 5]
En el proceso de corte por EDM no tiene contacto la herramienta con la pieza
de trabajo, por lo cual el proceso de electroerosión no está sujeto a los esfuerzos
de un movimiento de corte convencional, que dañaría a la herramienta o
distorsionaría a las piezas de trabajo. Es por eso que está ventaja facilita cortes
de formas muy complejas en las piezas. [6, 7]
2.1.2 Principio de operación
El maquinado por electroerosión se efectúa mediante descargas eléctricas
que producen filamentos o "chispas" (descarga tipo transitoria que ocurre en un
material dieléctrico cuando se sobrepasa su potencial de ruptura), entre dos
piezas conductoras (la pieza de trabajo y la herramienta), las cuales se
encuentran separadas una de la otra a una cierta distancia (denominada gap) y
9
por un fluido dieléctrico. La descarga eléctrica entre los electrodos se produce
cuando se aplicar un diferencial de potencial mayor a la tensión de ruptura
eléctrica del medio. Existen diversas teorías que tratan de dar explicación a los
fenómenos que ocurren durante el proceso EDM, la más aceptada es la teoría
termo-eléctrica. [8]
Esta teoría enuncia que la remoción de material durante el proceso de
electrodescargas, se produce por la elevada temperatura que se genera debido
a la corriente de descarga, es decir, la energía eléctrica se transforma en energía
térmica a través de una serie de descargas que ocurren entre el electrodo y la
pieza de trabajo. [4, 8]
El proceso de electroerosión se dividen en varias etapas, y se agrupan en
tres fases (Figura 2. 1): 1) la polarización de la pieza y herramienta, 2) la ruptura
del dieléctrico y la formación del canal de plasma, 3) la expulsión del material.
•
•
Electrodo (4) ^
Wj fieza (-} ¡jElectrodo (+) 'A
Electrodo (+) //
Pieza (-)
Electrodo (•)-) A
—**' <! JiSr fl .^~—
(d)
Figura 2.1 Esquema de las etapas en las que se lleva a cabo la remoción del material en elproceso EDM; fase de ionización (a, b), fase de ruptura del dieléctrico y formación delplasma (c, d), fase de expulsión del material (e, f) [9]
10
A continuación se describen las etapas de un ciclo de descarga eléctrica de
acuerdo al esquema de la Figura 2. 1. [7, 9]
En la primera etapa de polarización de la pieza y herramienta, el electrodo y
la pieza de trabajo se les aplica un diferencial de potencial mayor a la tensión de
ruptura eléctrica del medio, los iones positivos y electrones se acumulan en la
superficie de ambos electrodos en el punto de menor distancia de separación de
los electrodos (gap) conocido como el sitio de mayor campo eléctrico (Figura 2.
1a), los cuales se aceleran para crear un canal ionizado dando inicio a la segunda
etapa.
En la segunda etapa de ruptura del dieléctrico y la formación del canal de
plasma, los iones positivos y electrones se aceleran para crear un canal ionizado,
que actúa como conductor de la corriente eléctrica, en consecuencia, se produce
un salto de chispa o en otras palabras, se forma un canal ionizado de
transferencia masiva de carga eléctrica. (Figura 2.1 b). El fenómeno del comienzo
de la descarga es complejo. Durante las primeras centésimas o décimas de
microsegundo de la descarga, se producen fenómenos correlacionados entre sí.
Provocando colisiones entre los iones (+) y los electrones (-). De esta manera se
forma un canal ionizado constituido por un plasma (Figura 2. 1c). De acuerdo a
lo anterior, se incrementa la temperatura en las superficies de contacto del
plasma en ambos electrodos para fundir y en algunos casos, vaporizar el
material. [9]
La tercera etapa de expulsión del material empieza cuando en la superficie
del material esta fundida, donde la formación del plasma provoca la formación de
una burbuja de vapor de elevada presión que recubre al canal ionizado y, se
extiende rápidamente desplazando el líquido dieléctrico. La presión en la burbuja,
proviene de la resistencia que opone el dieléctrico a su expansión. Inclusive la
presión de la burbuja es varías veces mayor a la presión atmosférica debido a la
descarga (Figura 2. 1d). [9]
11
La erosión en los dos electrodos es debido a las partículas y cantidades de
masa que son fundidas y evaporadas por el intenso calor generado por el
plasma., ocasionando la formación de un pequeño cráter. La erosión sobre los
electrodos es asimétrica, dependiendo primordialmente de la polaridad,
conductividad térmica y temperatura de fusión de los materiales. Lo anterior está
en función de la duración e intensidad de las descargas. (Figura 2. 1e). [6, 7, 9]
En el momento de la interrupción de la corriente, el canal de plasma
disminuye a tal punto que es inestable y se extingue. La burbuja de gas se
colapsa por el líquido dieléctrico. Provocando una dilatación explosiva que hace
emanar material fundido para formar el cráter. Este material solidifica en el líquido
y es arrastrado en forma de esferas, quedando en suspensión. (Figura 2. 1f). [9,
10].
Con ayuda de un osciloscopio se aprecian los cambios de voltaje y corriente
de las etapas mencionadas (Figura 2. 2). En la primera fase de polarización se
incrementa el potencial eléctrico generando partículas iónicas que alcanzan el
máximo voltaje hasta el punto de ruptura del dieléctrico, previo a este punto la
corriente es nula. En la segunda fase se establece el flujo de corriente entre el
electrodo y la pieza de trabajo hasta el valor preestablecido en la máquina, debido
al flujo de corriente se provoca que disminuya el voltaje y se establece el canal
de plasma. En la siguiente fase es la disminución del voltaje y la corriente, en
donde ocurre la expulsión del material y la desionización del dieléctrico. [4, 9]
*JL*b-ft-ric c
t - *-i e -i-* »
tVoltaje I \
\ /'"•\
t1
Corriente •\^
M*
Figura 2. 2 Esquema de un pulso del EDM, a) Polarización; b) Ruptura del dieléctrico; c)Formación del canal de plasma; d) Apagado del pulso; e) Desionización del dieléctrico [4]
12
2.1.3 Parámetros del proceso EDM
Para producir las descargas que se emplean en el proceso de electroerosión,
se establecen por parámetros físicos dentro de los cuales se dividen en variables
y constantes. Tomando en cuenta las variables del proceso que tienen mayor
influencia en la remoción de material son: [11, 12]:
Voltaje de descarga: Tensión eléctrica que se relaciona con el punto de
ruptura del dieléctrico y la distancia de arco, además es proporcional al GAP, la
cantidad de remoción del material (MRR por sus siglas en inglés) es proporcional
al valor de voltaje aplicado y al igual que el acabado superficial. [4]
Distancia de arco (gap): Separación que existe entre la pieza de trabajo y del
electrodo (aproximadamente de 5 a 100 um), en la práctica se le conoce como
voltaje de separación ("voltage de gap" en el vocablo anglosajón), solo que las
medidas están dadas en volts, esto es debido a que es impráctico estar midiendo
la separación de las superficies de contacto. [13]
Intensidad de corriente: Es el flujo de carga eléctrica suministrada al proceso
medida en amperios, este es la variable más importante del proceso EDM.
Durante el periodo de encendido del pulso la corriente se incrementa hasta el
valor preestablecido. La cantidad de material removido (MRR) y a la tasa de
desgaste del electrodo (EWR por sus siglas en inglés) es directamente
proporcional a la intensidad de corriente e inversamente proporcional al acabado
superficial. Este último punto es de vital interés si se requiere tener precisión en
el maquinado, porque si se genera un desgaste excesivo en el electrodo la
cavidad perderá las dimensiones deseadas. [14]
Tiempo de encendido del pulso: Tiempo en el cual se polariza el electrodo
(0.2-100 us), una vez alcanzado el punto de ruptura del dieléctrico empieza a
circular la corriente eléctrica entre el electrodo y la pieza de trabajo. Es en este
periodo de tiempo donde se lleva a cabo la conversión de energía eléctrica en
térmica, provocando el calentamiento de la superficie, la fusión y evaporación del
material. Este último aspecto involucra dos cosas: 1) se produce un mayor
13
diámetro de cráter y por ende la rugosidad se incrementa y 2) será mayor la
cantidad de material que no se alcanza a remover disminuyendo la eficiencia,
aumentando el espesor de la capa de metal solidificado e incrementando la zona
afectada térmicamente (ZAT). La MRR es proporcional a la cantidad de energía
que se suministra en cada pulso, dicha energía es controlada mediante la
intensidad de corriente y el tiempo de encendido. [4, 13, 15]
Tiempo de apagado del pulso: Tiempo (2 a 1000us), durante el cual la
corriente eléctrica y el voltaje disminuyen a un valor cercano a cero, el tiempo de
apagado afecta a la velocidad y estabilidad de la remoción de material.
Teóricamente, con periodos de tiempo más cortos mayor será la rapidez de corte,
pero con tiempos demasiado cortos el material no es removido por el dieléctrico
y el fluido hace que las siguientes descargas no sean estables, además las
siguientes descargas no tendrán la misma cantidad de energía, disminuyendo así
la eficiencia del proceso. El tiempo del pulso debe ser igual o mayor al tiempo de
deionización del dieléctrico, esto con la finalidad de que no ocurran descargas
sucesivas en el mismo sitio y las virutas del metal solidificado sean fácilmente
removidas. [15]
Ciclo de trabajo: Es la fracción porcentual de tiempo de encendido relativo
de la máquina durante el ciclo total.
Frecuencia de las pulsaciones: Es la cantidad de veces de encendido y
apagado del pulso en un segundo, este parámetro define la rugosidad de la pieza
de trabajo, mayor sea el valor de la frecuencia la rugosidad de la pieza disminuye,
esto se debe a que el tiempo de encendido se acorta disminuyendo la MRR y el
tamaño de los cráteres se disminuyen, presentando una superficie menos rugosa
y una menor zona afectada térmicamente (ZAT).
En resumen se observar en la Tabla 2.1 las relaciones que existen entre los
parámetros de entrada del EDM y los valores de salida registrados en la
bibliografía.
14
Tabla 2.1 Relación de los parámetros de entrada y salida
Parámetros MRR TWR ZAT
Eficiencia
de MRR Acabado
Estabilidad
de descargaTiempo de
maquinado
Voltaje 7l 71 ~ - M ~ --
GAP 71 71 ~ ~ M 7I\J* -
Corriente 71 71 TI 7l\l* M - ^l
Tiempo de encendido 7I ~ 71 M ^i - ^l
Tiempo de apagado - ~ - 71 - 7! 71
Frecuencia ^I — M — . 7\ — 7\\¡*
Polaridad (electrodo +) -
^,**-- ~ - ~ -
Polaridad (electrodo -) --71**
~ - - -- -
Notas:
Pi Directamente proporcional^i Inversamente proporcional* Hasta alcanzar un valor máximo
** Dependiendo del material utilizado
Otros parámetros que se registran pero con un menor impacto en las
variables de salida son:
El dieléctrico empleado, ya sea en agua desionizada, aceite e incluso una
emulsión de ambos, aire y oxígeno. Este fluido de trabajo, cumple con dos
funciones; 1) producir una resistencia al flujo de la corriente eléctrica y de ese
modo se formen las chipas eléctricas en la superficie y 2) el dieléctrico atrapa al
metal fundido solidificándolo en partículas esféricas, además disipa el calor. [10,
14, 16]
Flujo del dieléctrico es la cantidad de fluido que es bombeado a través la
pieza de trabajo y el electrodo, el flujo debe estar orientado para remover las
partículas que solidificaron, ya sea que el dieléctrico sea bombeado dentro del
electrodo o por un juego de boquillas colocadas alrededor del electrodo. La
circulación del dieléctrico favorece a la MRR y a la estabilidad de las descargas
eléctricas. [17]
Algunas interacciones entre los parámetros del proceso que favorecen a la
remoción de material y afectan al desgaste del electrodo son:
15
Tiempo de encendido del pulso y corriente la relación de estas dos variables
afectan a la MRR, tienen una relación tal que al ir incrementando el tiempo llega
a un punto máximo y empieza a disminuir la MRR para diversos niveles de
corriente, como se muestra en la Figura 2. 3 (a). En cuanto al TWR empleando
niveles altos de corriente y del tiempo de encendido prolongados el TWR
disminuye, pero con niveles bajos de corriente y tiempos de encendido
prolongados presenta una tendencia a incrementar el TWR (Figura 2. 3 (b))
120-
100
J1l 60
5-
»
t{K1_ <H
—J_ M
_s_ U_4_ 1*
__5... :n
Figura 2. 3 Variación de la interacción de la corriente de descarga en función del tiempo deencendido, a) MRR y b) TWR [12]
. • •
16
Corriente y área de contacto del electrodo está es una re\ac\ón de densidad
de corriente, pero su influencia no es notoria, pero si está relacionada con el
TWR, el cual indica que con el incremento de los niveles de corriente el desgaste
aumenta, y con el aumento del área de contacto de electrodo el desgaste
disminuye Figura 2. 4. Debido a que la densidad de energía disminuye la cual es
insuficiente para fundir y evaporar el material, además los bordes con ángulos
agudos son susceptibles a redondearse debido a que concentran la corriente y
propicia el salto de chispa. [15]
6
5-i
3-
i*
0-
r *
3
A («i»3»
~r~
4
r
5
Figura 2. 4 Interacción de la corriente de descarga (I) en función del área de contacto (A)contra TWR [15]
2.1.4 Efectos del proceso EDM en el material
Reportes en la literatura [11], relacionan la rugosidad de la superficie de un
acero suave F-1110 maquinado con el proceso EDM. Expone que los valores de
la rugosidad de la superficie son dependientes de las condiciones de maquinado.
Se observa que los parámetros de tiempo de encendido y apagado del pulso,
tienen menos influencia en la remoción de material que la corriente.
17
Otro fenómeno que presenta el proceso EDM, es el llamado sobre-corte en
una perforación, el cual se refiere a la expansión del diámetro de la perforación
con respecto a al diámetro del electrodo (Figura 2. 5 (a)). Este efecto ocurre a
consecuencia de las descargas eléctricas entre las paredes de la pieza de trabajo
y el electrodo. La expansión del diámetro de la pieza de trabajo alcanza su punto
máximo cuando deja de ocurrir el fenómeno de salto de chispa en las paredes.
Cuando el electrodo se va introduciendo a la pieza de trabajo, produce un sobre-
corte pequeño en la punta, pero se va incrementando conforme siga penetrando
a la pieza, dando origen a un ángulo de sobre-corte, siendo el diámetro de
entrada mayor que el diámetro de salida (Figura 2. 5 (b)). Esto afecta la precisión
de la las perforaciones y de circularidad de las cavidades hechas.
Electrodo
'\up.
Sobre corte -
Pieza de trabajo
(a)
Figura 2. 5 Esquema de la sección transversal de las perforaciones [18]
Disminución del
diámetro
fietidettibéfo
2.1.4.1 Zona afectada térmicamente (ZAT), y material fundido
Debido que el proceso EDM es un proceso térmico, crea tres tipos de zonas
en la superficie (ver Figura 2. 6). La primera, es una delgada capa de material
que ha sido salpicada por el material fundido que no ha sido capturado por el
fluido dieléctrico, además contiene una pequeña cantidad del material fundida del
electrodo.
18
Debajo de la capa de salpicadura se encuentra la segunda zona, que se
considera una capa de metal que ha sido fundido en la descarga. La zona de
metal fundido se formada debido a que cierta cantidad del metal no fue expedido
y en lugar de eso se solidifica rápidamente por el fluido dieléctrico. Dependiendo
del material, la capa de metal fundido es alterada convirtiéndola en una zona de
alta dureza y frágil. En esta zona, las micro grietas suelen presentarse.
Profundidad de la zonas
afectadas, las cuales varían
dependiendo de la cantidadde energía empleada
Capa de la superficie salpicada
fácil de remover
Capa de metal fundido
ZAT
Metal base
Figura 2. 6 Esquema de zonas afectadas por el proceso EDM [11]
La tercera zona es la que ha sido afectada térmicamente a causa de la
disipación de calor de la capa anterior, en esta parte el metal ha sido calentado
sin alcanzar el punto de fusión. Los cambios que presenta esta zona son similares
a la que se encuentra en una soldadura, consta de un cambio de fase y
crecimiento de grano [19].
Las zonas afectadas térmicamente (ZAT) varían de espesor en cada variante
del EDM (por estampado, de hilo y micro maquinado) [6], por estampado es el
que más energía aporta de los tres tipos de EDM, el aumento de aporte de
energía incrementa la ZAT. En delgadas láminas no es recomendable, ya que
causa un mayor calentamiento y durante el enfriamiento continuo por el
dieléctrico se templa. En consecuencia, se forma una zona de alta dureza y frágil.
Cuando el dieléctrico es calentado por las descarga, las moléculas de los
hidrocarburos se descomponen creando una zona enriquecida de carbono en el
área de corte, además provoca la difusión del carbono en la superficie alterando
la composición química del metal, por ende, se incrementa la mícrosegregación.
19
Para evitar este problema en láminas delgadas se aplica un pos-maquinado con
valores bajos en los parámetros [14].
2.1.4.2 Razón de desgaste del electrodo
Debido a la alta temperatura de la chispa, no sólo la superficie de la pieza de
trabajo evapora material sino también del electrodo se evapora material de la
superficie. En este caso, el electrodo pierde material y dimensiones. Este
fenómeno se le conoce como razón de desgaste del electrodo (EWR).
La razón de remoción de material del electrodo es menor que de la pieza de
trabajo. El desgaste del electrodo es un proceso similar al mecanismo de
remoción de material como del que se produce en la pieza de trabajo. Durante el
proceso de electroerosión se busca la máxima razón de remoción de material
(MRR) con un mínimo de desgaste del electrodo (EWR) [18, 20].
Los materiales más usados para la elaboración de electrodos para el sistema
EDM son: grafito, latón, cobre y aleaciones, tungsteno y aleaciones. Cada
material presenta un desgaste diferente, inclusive tratándose del mismo material
del electrodo al maquinar diferentes materiales de las piezas de trabajo. [20].
En el estudio realizado por Khan A. A. [20] determina la tendencia de
desgaste de electrodos comunes de cobre y latón al maquinar aluminio y acero
de bajo carbono empleando el proceso de EDM. El desgaste del electrodo se
presentó en la sección transversal y en los bordes de las esquinas, se observó
que los parámetros de corriente y voltaje favorecen el desgaste del electrodo.
El estudio de Marafona, J [21] caracterizó la capa depositada de color negro en
la superficie del electrodo de W-Cu, dicha capa se forma por la adición de
elementos como el Fe y C principalmente (Figura 2. 7), además se observó que
el desgaste del electrodo se reducía conforme se incrementaba la aparición de
la capa negra. En la investigación de Kunieda et al. [22] corroboran la protección
que da la capa de carbono en la superficie del electrodo al disminuir la cantidad
20
de material de Cu evaporado durante el salto de chispa y formación del canal de
plasma.
20 um
M
Figura 2. 7 Imagen EDX (a) del electrodo base W-Cu y la capa negra; (b) W; (c) Cu; (d) C;(e) Fe. [21]
21
2.2 Maquinado electroquímico (ECM)
En este apartado se menciona el principio de funcionamiento del maquinado
electroquímico, las investigaciones en torno a este proceso, se mencionan las
ventajas y desventajas, así como los efectos que tienen en los materiales. Con
el fin de conocer la operación del proceso y determinar el comportamiento de
remoción de material.
2.2.1 Descripción del proceso
El maquinado electroquímico (ECM) es un proceso de desprendimiento de
material no convencional para corte de metales, en el cual se emplea energía
eléctrica y química como herramientas de corte. Al igual que el EDM es un
proceso independiente de la dureza del material y libre de virutas.
El ECM es implementado en la industria aeroespacial debido a que logra
remociones de material para formas muy complejas de materiales con alta
dureza. Adicionalmente, ofrece un mejor acabado superficial con respecto a
aquellos componentes críticos que dependen de la integridad de la superficie. El
proceso ECM ha sido reconocido como un proceso de alta precisión con un alto
acabado superficial. [23]
En el maquinado electroquímico que remueve el material por la disolución
química y por medio de un líquido electrolítico. Este mecanismo de remoción está
basado en la reacción iónica de la superficie del material. [24]
La herramienta de corte es un electrodo fijo con una forma negativa de la
forma deseada en la pieza. En este caso, el desgaste de la herramienta se
considera nulo debido a que no realiza esfuerzo de corte sobre la pieza de trabajo
y además los agentes químicos no erosionan la superficie del electrodo.
22
2.2.2 Principio de operación del ECM
El proceso de maquinado electroquímico está basado en el principio de la
electrólisis. El circuito eléctrico es conectado a una fuente de corriente directa
(CD), para polarizar la pieza de forma positiva (ánodo) y la herramienta en forma
negativa (cátodo), una corriente circula a través del cátodo y ánodo que se
encuentran separados a una distancia, comúnmente llamada gap, un electrolito
es bombeado a través del gap.
Al hacer circular la corriente eléctrica, se liberan iones metálicos de la pieza
de trabajo. El metal desprendido se combina con la solución electrolítica
formando lodos de hidróxidos o cloruros metálicos. Durante el maquinado
electroquímico ocurren reacciones entre el ánodo, el cátodo y el electrolito.
Generalmente en perforaciones sobre substratos de acero, se emplea un
electrolito de solución de sal neutra, como el cloruro de sodio (NaCI). El agua y
el electrolito se ionizan cuando se aplica un diferencial de potencial. Las
siguientes reacciones químicas resumen las etapas de disociación química de
los reactantes:
NaCI «-» Na+ + Cl~
H20 «-» 2H+ + (OH)-
(D
(2)
Al aplicar una corriente a la pieza de trabajo (ánodo) y a la herramienta
(cátodo), los iones positivos se mueven hacia la herramienta y los iones negativos
hacia la pieza de trabajo.
Los iones de hidrógeno retiran electrones del cátodo (herramienta) y se
forma gas de hidrógeno:
2H+ + 2e = H7 T hacia el cátodo (3)
Similarmente, los átomos de hierro se desprenden del ánodo (pieza de
trabajo):
23
Fe = Fe++ + 2e~ (4)
En el electrolito los iones de hierro se combinan con los iones de cloro para
formar cloruros de hierro (II) (cloruro ferroso), similarmente los iones de sodio se
combinan con los iones hidroxilos para formar hidróxido de sodio.
Na+ + 0H~ = NaOH (5)
Los productos de reacción que precipitan son FeCb y Fe(OH)2. Este
fenómeno electroquímico opera conforme la pieza de trabajo es erosionada
gradualmente. Es importante mencionar que el electrodo no se desgasta, sólo el
gas de hidrógeno cubre la superficie del electrodo. En la Figura 2. 8 representa
esquemáticamente las reacciones que ocurren durante el proceso
electroquímico. El material es removido por la disolución a nivel atómico, por esa
razón la superficie tiene un acabado libre de esfuerzos residuales del maquinado.
[5]
Figura 2. 8 Representación esquemática de las reacciones dentro del electrolito [5]
24
2.2.3 Parámetros del proceso del ECM
Para llevar a cabo el efecto de remoción de material el proceso está en
función de los valores de los parámetros que se mencionan a continuación:
Voltaje: La cantidad de tensión eléctrica con la cual se polariza la pieza de
trabajo y del electrodo.
Corriente: Es el flujo de la carga eléctrica a través del tiempo que se
suministra al sistema electroquímico, en el maquinado electroquímico se emplea
una corriente directa, con el propósito de formar iones en el electrolito y en la
superficie de la pieza. Otros investigadores sugieren [25, 26] utilizar corriente
pulsada para obtener una mayor precisión y acabado superficial.
Densidad de Corriente: Es un parámetro que está en función de la cantidad
de corriente eléctrica suministrada en una determinada área de exposición contra
la pieza de trabajo. La densidad de corriente favorece proporcionalmente a la
formación de iones en el medio electrolítico además de la pieza de trabajo. [26-
28]
Separación de la pieza de trabajo (gap): Espaciamiento entre el electrodo y
la pieza de trabajo, en el cual circula el electrolito. La variación del GAP tiene un
efecto sobre la densidad de corriente de manera inversamente proporcional, es
decir, a un mayor gap la densidad de corriente decae. La separación para el ECM
de corriente continua logra ser mayor a 0.5mm, en contraste con el ECM pulsado
el gap varía de 5 a 100 um [26]
Electrolito: El fluido que contiene y proporciona iones libres, los cuales se
comportan como un medio conductor eléctrico. Provee los compuestos químicos
que se combinan con el material de la pieza de trabajo. La selección del electrolito
está en función de la composición química del material. En este caso, este debe
ser capaz de combinarse con los iones del metal y formar precipitados de óxidos
e hidróxidos. Además el electrolito cumple con dos funciones; 1) remueve las
partículas de las reacciones químicas, para evitar que dichas partículas se
25
acumulen y provoquen que el sistema entre en corto circuito y, 2) disipa la energía
térmica que se genera a través del electrolito por la resistencia al paso de
corriente, este aumento de temperatura repercute en un decremento de la
conductividad térmica. [29]
Flujo de alimentación del electrolito: El flujo del electrolito es laminar o
turbulento, pero debe de ser capaz de remover las burbujas de hidrógeno
acumulado en la superficie del electrodo, ya que la acumulación de dicha capa
de burbujas de hidrógeno interfieren con la conductividad eléctrica. En
investigaciones [26] se menciona que el flujo del electrolito tiene influencia en la
eficiencia del proceso ECM. [30]
2.1.4 Efectos del proceso ECM en el material
En la literatura [29] se hace mención que los parámetros del proceso tienen
gran influencia en el acabado de las piezas. Sugieren que el principal elemento y
de gran importancia para el proceso es el electrolito. Debido a que permite la
reacción de corrosión y desintegración del material. El electrolito cumple otras
dos funciones: 1) la disipación de calor generado en el proceso y 2) retira los
productos de las reacciones. Este último punto es importante debido a que evita
la formación de una capa anódica en la superficie, causando que el sistema entre
en corto circuito. Al no ser retirada los productos de reacción de la herramienta
la deteriora.
La corriente y el voltaje tienen una influencia directa con la disolución del
material, es decir, al aumentar la corriente en el sistema se incrementa la MRR,
y de igual forma al aumentar el voltaje se incrementa la MRR. Para cada tipo de
material se requiere que se ajusten estos parámetros teniendo en cuenta la
geometría del electrodo y el área de contacto, resultando en una mejor
distribución de la corriente en el área de contacto.
26
Para obtener superficies con buen acabado, se requiere una cantidad de
densidad de corriente adecuada. Si la corriente es muy elevada, causa la erosión
descontrolada de capas de átomos, resultando una superficie con baja precisión
y con mayor rugosidad. En investigaciones [23, 30-31] se determina un rango
aceptable del voltaje entre 2 y 30 V para obtener un MRR 0.034 mm3/s por cada
amperio que se utilice.
Kim S. H. et. al [31] investigaron el maquinado electroquímico pulsado en un
carburo de tungsteno con cobalto. El desarrollo de la experimentación establece
con la determinación del electrolito adecuado para el carburo de tungsteno y, en
base a investigaciones anteriores, se eligió el de nitrato de sodio para disolver el
carburo de tungsteno y el ácido sulfúrico para disolver el cobalto (Figura 2. 9). Se
hizo una mezcla del nitrato de sodio y del ácido sulfúrico a una porción de 0.5 M
y a 0.2 M respectivamente.
• .
Figura 2. 9 Imágenes de electrones secundarios de acabados superficiales de una muestraperforada: a) ranura del maquinado electroquímico b) acercamiento de la micrografía:Potencial de la pieza de trabajo: -0.4 V; Amplitud del pulso: 8V; Duración del pulso: 100ns;mezcla del electrolito: nitrato de sodio al 0.5 M y ácido sulfúrico al 0.2 M [31]
A una concentración menor de 0.2 M de nitrato de sodio se presenta una
baja MRR y baja calidad superficial. Debido a que no previene la formación de
óxidos de tungsteno, resultando en un acabado superficial bajo. En contraste, en
el maquinado utilizando la concentración del electrolito mayor de 0.5 M de nitrato
27
de sodio, el acabado superficial no varía. Por lo tanto, la concentración adecuada
para maquinar el WC-Co es una mezcla del nitrato de sodio y de ácido sulfúrico
a una porción de 0.5 M y a 0.2 respectivamente
En otro estudio [32] se demuestra el uso del amoniaco y nitrato de sodio para
disolver una aleación de WCCo. En dicha investigación se muestra que el
aglutinante de Co no es soluble con el nitrato, ni el WC se solubiliza con el
amoniaco. Por lo cual se requiere que ambas sustancias se mezclen en
concentraciones 2M/I de amoníaco y 2.9M/I de nitrato de sodio.
En un estudio de Hewidy [23] demuestra la influencia que tiene el voltaje y la
velocidad de avance de la herramienta con respecto a la remoción de material.
Bajo un modelo matemático predice el comportamiento que tendrá en el sistema
ECM al maquinar cualquier material. El modelo es comparado con el maquinado
de un acero de medio carbono, empleando un electrolito de cloruro de sodio con
una concentración de 200 gr/l.
En la Figura 2.10 se muestran los efectos de remoción de material en función
del voltaje y concentraciones molares de los electrolitos de nitrato de sodio. Al
incrementar el voltaje aplicado a la pieza de trabajo se aumenta la cantidad de
material removido, esto se atribuye al incremento de la densidad de corriente.
Las velocidades de avance de la herramienta también tienen un papel importante
en la remoción del material, también, se observa en la misma figura que existe
mayor remoción con una velocidad lenta que con una velocidad mayor.
28
. v. a. • lOmra/min
• v. a. • 20 mm/min
Voltaje aplicado (V)
Teórico
Experimental
~"124
Figura 2.10 Efectos de la aplicación del voltaje en el espesor de metal removido en funciónde las velocidades de avance de la herramienta. [23]
2.3 Maquinado híbrido electroquímico asistido por descargas
eléctricas. (ECDM)
En la literatura [33] se reporta una máquina que ha hibridado los procesos
EDM y ECM. En la hibridación de los dos sistemas se emplea un generador de
tipo resistencia-capacitivo para generar un voltaje pulsado de alta frecuencia, un
electrodo de tungsteno como herramienta, y un fluido de trabajo que presenta la
dualidad de ser un electrolito y un dieléctrico, esta dualidad se presenta en el
agua desionizada, esto se debe a la baja resistencia que tiene, a la variación del
potencial y a la variación del gap, es decir, en el sistema híbrido la herramienta
se encuentra a una separación dada y el agua actúa como dieléctrico propiciando
los saltos de chispas. Por lo tanto, la pieza se erosiona y el gap se va a ir
incrementando hasta el punto que no se producen saltos de chispas, el diferencial
de potencial permanece en el mismo valor lo que hace que el agua desionizada
actúe como conductor de corriente produciendo iones libres. En el momento que
el sistema empieza a remover material por el principio electroquímico del ECM,
se acerca nuevamente la herramienta y el ciclo empieza con el EDM.
29
En cuestión de los parámetros el sistema varía sólo para la fase del ECM,
cuyos valores de potencial eléctrico deben de ser mayores comparados con un
ECM convencional, además, el flujo del fluido disminuye considerablemente para
que sea capaz de actuar como electrolito. Los efectos que tiene este proceso
híbrido en la remoción del material, es una mezcla de los efectos antes
mencionados del EDM y ECM. La rugosidad producida por el EDM es suavizada
por la fase del proceso ECM, la superficie de los materiales presenta incrementos
de oxígeno debido a la descomposición del agua durante la fase EDM. Se ha
comprobado la factibilidad de la hibridación de los dos sistemas de corte: EDM y
ECM.
El principio del funcionamiento del sistema híbrido está basado en los
mecanismos de remoción del EDM y ECM. Estos dos mecanismos se alternan
durante el proceso. Al ser utilizado un fluido de trabajo que cumpla con la dualidad
de ser electrolito y dieléctrico, éste actuará como dieléctrico cuando se encuentre
a un gap determinado para que ocurra un salto de chispa, y actuará como
electrolito cuando el gap sea mayor y debido al potencial eléctrico se generan
iones dentro del fluido.
Para que la fase del proceso EDM se lleve a cabo, el electrodo debe
permanecer a un gap crítico para provocar el salto de chispa, y de esa manera
se produzca la remoción de material, debido a que el material de la superficie se
erosiona el gap se incrementa dejando de producir saltos de chispas. Es
entonces que el fluido de trabajo actuará como electrolito haciendo que el sistema
trabaje como ECM, la remoción de material se lleva a cabo por la disolución del
fluido de trabajo. Transcurrido un periodo de tiempo el electrodo vuelve a avanzar
y el ciclo empieza nuevamente con la fase EDM (ver Figura 2. 11) [34].
30
Figura 2. 11 Esquema de las etapas del proceso híbrido: a) Comienzo del proceso; b)Descargas (fase EDM); c) Disolución (fase ECM); d) Avance del electrodo. [33]
Los parámetros con mayor influencia para remover material en la forma
híbrida siguen siendo los mismos que en los procesos por separado.
Considerando, el voltaje, corriente, tiempos de encendido y apagados del pulso,
así como la frecuencia. Estos parámetros tienen efectos en sus respectivos
apartados para cada proceso.
El parámetro del gap y la velocidad de avance del electrodo es el que define
en qué fase se encuentra operando, es decir, si la velocidad de avance es rápida,
no dará tiempo suficiente para que ocurra la fase ECM, ya que los saltos de
chispas ocurrirán la mayor parte del tiempo. Por el contrario, si el avance es lento
el fenómeno de remoción predominante será la disolución de la superficie. El gap
como se mencionó con anterioridad en la sección 2.1.3 está dado por el voltaje
que se establezca en el equipo.
El flujo del fluido de trabajo tiene importancia para crear los iones que se
formen, ya que un flujo alto desplazará los iones rápidamente y la eficiencia de
la fase ECM disminuirá, pero si es lento las partículas producidas por la fase EDM
no serán desalojadas adecuadamente.
31
En la Figura 2. 12 se muestran las micrografías de las perforaciones con
distintos niveles de avance del electrodo y capacitancia. Cuando el avance es de
5 um/s, la superficie tiene un aspecto similar al dejado por el proceso EDM, La
Figura 2. 12 (a y c) presenta una cubierta de cráteres sobrepuestos unos con
otros, esto se debe a que el fenómeno de remoción que predomina más son las
descargas de chispas. Al disminuir la velocidad a 0.2 um/s la superficie de la
perforación aparecen zonas sin cráteres. En la Figura 2. 12 (b y d) se observan
dos zonas con características diferentes, en la parte central se observan cráteres
formados por las descargas eléctricas, alrededor de esta zona las marcas son
suavizadas. Esto indica la disolución de material de la superficie por la fase ECM.
[33]
isa ie8w xi se leem
Figura 2. 12 Micrografías de la superficie maquinada a 120V a diferentes velocidades deavance y capacitancia: (a) 4700pF, 5 um/s; (b) 4700pF, 0.2 um/s; (c) 1000pF, 5 um/s; (d)1000pF, 0.2 um/s [33]
2.3.1 Maquinado ECM después del EDM
Existen reportes en la literatura [35-36] el empleo del proceso ECM después
del maquinado por EDM. Al cual se le conoce como Maquinado de Integridad
Superficial para EDM (SIME por sus siglas en inglés). La función del SIME es
remover la capa superficial de metal solidificado dejada por el EDM, mediante el
empleo de agua desionizada [35]. El electrodo se coloca a una distancia de
250um de manera constante, donde se asegura que no ocurre ninguna descarga.
Como se mencionó con anterioridad en el ECM, el agua forma iones de hidroxilo
(OH) los cuales se combinan con los iones del metal base, de esta manera se
disuelve la capa de metal base que se encuentra inmediatamente por debajo de
la capa de metal solidificado, en consecuencia se desprende esta última. Se
utilizó una aleación de carburo de tungsteno sementado para demostrar el
proceso SIME (ver Figura 2. 13) [35].
HuecoGrietas
Agua desionizadaCo2*
Metal solidificado
• Metal base
a)Escombros
CHES 9uKSEfi 3EB3E3BE
Capa sin Co
Figura 2.13 Esquema del mecanismo de modificación de la superficie; a) superficie depuésdel maquinado EDM; b) Disolución del Co en la interface de la capa de metal solidificado yel metal base; c) Separación de la capa de metal solidificado en forma de virutas [35]
33
En la Figura 2. 14 (a), (b) se muestra la superficie de la aleación WC-Co
después de ser maquinada por EDM, en la cual se presentan agrietamientos y
porosidades en la capa de metal solidificado, además de una grieta transgranular
propagada al metal base. En las imágenes (c) y (b) se muestra la superficie
después del SIME, se aprecia claramente la disminución casi total de la capa
solidificada. El proceso SIME disuelve la capa de Co dejando los granos de WC
expuestos y sin defectos superficiales como grietas y poros, ya que la remoción
de la capa no deseada fue removida de manera selectiva por la formación de
iones (OH) que se combinaron con los (Co2+).
Í. /j\' 10um '¡53^ y«V
Vista superior
• ••'•'.' - %' *tr'-; '_"r '•*
Capa de metal solidificado
" Grietatransgranular -' * »-
'»:i^t Grieta *''*,*>'.'<«><*,»•" • i*. ¡
10um ¿V
i* y- s
Granos de WC
lOum *% >"áWírSVfJr
s .• V"^-« T
Figura 2. 14 Micrografías por SEM a) superficie maquinada por EDM; b) Propagación degrieta al metal base; c) Superficie maquinada por SIME; d) Vista superior de superficiemaquinada por SIME libre de grietas [35]
•
34
. • :.
El equipo del SIME es adicional al de EDM (Figura 2.15), ya que cuenta con
su propia fuente de poder y un generador de funciones, además se debe cambiar
el fluido de trabajo por agua desionizada, ya que el EDM trabaja con dieléctrico
en base a hidrocarburos.
Interruptor
Generador
de
funciones
Fuente de
poder
Figura 2. 15 Diagrama del circuito de EDM y SIME [35]
La investigación llevada a cabo por Zhaoqi Zeng [36] utiliza una fuente de
poder independiente para cada proceso, el depósito es cambiado junto con el
fluido de trabajo, únicamente es el electrodo el que se emplea para ambos
procesos
.
2.4 Aceros de alta resistencia y baja aleación (HSLA)
Los aceros de alta resistencia y baja aleación conocidos como aceros HSLA,
son un grupo de aceros que se caracterizan por tener un bajo contenido de
carbón y elementos aleantes, que proporcionan, propiedades mecánicas como
los aceros convencionales. Esto ha permitido el empleo de este acero en la
industria automotriz.
Este tipo de aceros surgen de los requerimientos de aceros estructurales que
necesitaban presentar adecuada soldabilidad. Sin embargo, esto se lograba
reduciendo el contenido de carbono (<0.1%), pero como consecuencia se reducía
la resistencia mecánica. Una de las formas de compensar el decremento de la
35
resistencia es mediante el refinamiento del grano, mediante la adición de
elementos aleantes [37-38].
2.4.1 Propiedades y usos
Los aceros HSLA varían de 0.05 a 0.25 % e.p de contenido de carbono,
adicionalmente utilizan pequeñas cantidades de elementos aleantes menores del
0.1%, tales como Nb, V, Ti, 0.6 a 1.6 % e.p. de Mn, además de algunos otros
elementos tales como Cu, Ni, Cr, y Mo están presentes en pequeñas cantidades
alrededor de 0.1 %, de acuerdo a las características de uso. La combinación de
dichos elementos logra generar características de gran resistencia mecánica,
para obtener esfuerzos de fluencia mayores a los 275 MPa en las condiciones de
laminados o normalizados, además resistencia a la corrosión y al desgaste,
presentan buena soldabilidad. [39-40]
La función principal de los elementos aleantes en estos aceros, es de
contribuir al endurecimiento de la ferrita por precipitación y endurecimiento por
solución sólida. Este último está ligado ampliamente a los contenidos de aleación.
Además, otra forma de endurecimiento de estos aceros es por medio del
refinamiento de grano austenítico. Debido a la formación de granos finos de ferrita
y colonias de perlita durante la transformación de fases por enfriamiento en los
tratamientos termomecánicos. [37, 39, 41]
Los aceros HSLA son diseñados para mejorar las propiedades mecánicas
comparada con las de un acero convencional, la composición química de un
acero HSLA puede variar, dependiendo del espesor de la lámina para cumplir
con los requerimientos mecánicos.
Por otro lado, los aceros HSLA tienen una buena formabilidad y soldabilidad,
sin embargo, se requiere mayor energía de deformación para las partes
complejas. Debido a que posé un valor de cedencia mayor a los convencionales,
• • •
36
requiriendo más energía para su deformación plástica. En la Tabla 2. 2 se
muestran las propiedades mecánicas de subproductos de los aceros HSLA [42].
Tabla 2. 2 Propiedades mecánicas de subproductos de los aceros HSLA [42]
Esfuerzo (psi) %c
Elongíe
Último a la ción
Grado Forma Cedencia tensión 2 plg 8 plg
942X Placas, barras y perfiles 42 000 60 000 24 20
945 A, C láminas, tirasbarras, placas, perfiles
45 000 60 000 22
de1/2plg 45 000 65 000 22 18
1/2 a 1 1/2 plg 42 000 62 000 24 19
1 1/2 a 3 plg 40 000 62 000 24 19
945X láminas, tirasbarras, placas, perfiles
45 000 60 000 25
hasta 1 1/2 plg 45 000 60 000 22 19
950A, B, C,D
láminas, tiras
Placas, barras y perfiles
50 000 70 000 22
hasta 1/2 plg. 50 000 70 000 22 18
hasta 1/2 a 1 1/2 plg. 45 000 67 000 24 19
de 1 1/2 3 plg 42 000 63 000 24 19
950X láminas, tirasPlacas, barras y perfiles
50 000 65 000 22
955X
hasta 1 1/2 plg 50 000 65 000 18
láminas y tiras 55 000 70 000 20
Placas, perfiles, barrashasta 1 1/2 plg 55 000 70 000 17
960X láminas y tirasPlacas, perfiles, barras
60 000 75 000 18
hasta 1 1/2 plg 60 000 75 000 16
965X láminas y tirasPlacas, perfiles, barras
65 000 80 000 16
hasta 3/4 plg 65 000 80 000 15
970X láminas y tiras 70 000 85 000 14
placas, perfiles barras 70 000 85 000 14
hasta 3/4
980X láminas y tiras 80 000 95 000 12
placas hasta 3/4 plg 80 000 95 000 10
Los aceros HSLA son principalmente laminados en caliente en las formas de
productos forjados (chapas, láminas, barras, planchas y secciones estructurales)
con microestructuras de ferrita y perlita. Las excepciones son aquellos aceros
con microestructuras de ferrita acicular y los de doble fase, los cuales utilizan la
formación de una estructura mixta para su endurecimiento, mientras que los
aceros ferrítico-perlítico generalmente requieren del endurecimiento de la ferrita.
[40, 43]
Por otro lado, los aceros de alta resistencia y baja aleación se clasifican en
distintas normas y poseen distintos grados diseñados para proporcionar
combinaciones específicas de propiedades tales como esfuerzo bajo tensión,
tenacidad, ductilidad, soldabilidad y resistencia a la corrosión. Estos aceros se
clasifican como una categoría separada, la cual es similar al acero de medio
carbono laminado que tiene elevadas propiedades mecánicas que son obtenidas
mediante la pequeña adición de aleantes y, debido a las técnicas especiales de
procesos tales como: la laminación con enfriamiento controlado y enfriamiento
acelerado [40]. En la siguiente Tabla 2. 3 se presenta una clasificación de los
aceros HSLA de acuerdo al grado, propiedades mecánicas y soldabilidad que
presentan cada uno.
Tabla 2. 3 Clasificación de aceros por grado, propiedades mecánicas y soldabilidad [42]
Grado
942X
945A
945C
945X
950A
950B
950C
950X
955X,960X
96SX, 970X,
980X
Características
Acero de alta resistencia tratado al carbono-manganeso con adiciones de Nb y V, similar
a los 945X y 945C, solo que estos presentan mejores propiedades y buena soldabilidad
Acero HSLA con excelentes propiedades de soldabilidad en procesos de arco y
resistencia, buena formabilidad, buena tenacidad a baja temperatura, se emplea en
forma de forma de hojas, tiras y espesores de placas ligeras
Acero de alta resistencia al carbono-manganeso, presenta buenas propiedades desoldabilidad en soldadura por arco si se toman las debidas precauciones. Es similar al
grado 950C, por el contenido bajo de C-Mn el cual mejora la soldabilidad, formabilidadla tenacidad a baja temperatura.
Acero de alta resistencia tratado al carbono-manganeso con adiciones de Nb y V, similaral 945C, solo que estos presentan mejores propiedades y buena soldabilidad
Acero HSLA con excelentes propiedades de soldabilidad en procesos de arco y
resistencia, buena formabilidad, buena tenacidad a baja temperatura, se emplea en
forma de forma de hojas, tiras y espesores de placas ligeras
Acero HSLA con excelentes propiedades de soldabilidad en procesos de arco yresistencia, buena formabilidad, buena tenacidad a baja temperatura.
Acero de alta resistencia al carbono-manganeso, buena soldabilidad por arco si se tiene
precaución, pero no es adecuado para soldadura por resistencia, la formabilidad y
tenacidad son bajas
Acero de alta resistencia tratado al carbono-manganeso con adiciones de Nbo V, similar
al 950C, solo que estos presentan mejores propiedades de formabilidad y buenasoldabilidad
Estos aceros son similares al 945X y 950X con alta resistencia debido al incremento de
elementos endurecedores, como el carbono y manganeso, además de la adición de N en
0.01% e.p. esto incrementa la resistencia y a su vez reduce la formabilidad y la
soldabilidad. La tenacidad varía considerablemente con la composición.
. • •'
38
En resumen, el alto esfuerzo de fluencia se alcanza a través del efecto
combinado del tamaño de grano fino desarrollado durante el laminado en caliente
controlado y el endurecimiento por precipitación debido a la presencia del
vanadio, niobio y titanio. [44]
Debido a sus características antes mencionadas de elevada resistencia a la
abrasión y a la corrosión atmosférica, la relación de peso-resistencia alta, permite
que los aceros HSLA sean aptos para ser empleados en componentes de
carrocerías de vehículos o componentes estructurales como en los trenes
motrices, marcos, riñes, excavadoras, palas, transportadores, cajas de camiones,
grúas, tolvas, etc. [38, 42]
2.4.2 Metalurgia de los aceros HSLA
La mayoría de los aceros HSLA son conformados en caliente como
subproductos laminados con microestructuras de ferrita y perlita. Sin embargo,
existen excepciones microestructurales: ferrita acicular y los de doble fase. El
control microestructural de ambas tienen efecto endurecedor en los aceros. En
el caso de los aceros ferrítico-perlíticos, requieren de endurecimiento de ferrita.
La perlita es una fase de endurecimiento indeseable debido a que reduce la
tenacidad y requiere altos contenidos de carbono. [43]
Por otro lado, los aceros micro-aleados contienen pequeñas cantidades de
elementos aleantes formadores de carburos, nitruros y carbonitruros.
Proporcionando directamente o indirectamente la resistencia mecánica.
Básicamente, el control de tamaño de grano incrementa notablemente las
propiedades mecánicas de resistencia. [45]
Los elementos con mayor influencia para formar dichos carburos o nitruros
son el V, Nb y Ti, ya que estos elementos al combinarse con el C forman VC, TiC
y NbC, se presentan en el interior del grano austenítico como partículas de
segunda fase, las cuales propician el refinamiento del grano debido a que son
puntos de nucleación para la fase de ferrita en el proceso de transformación de
asutenita-ferrita. Por el otro lado los compuestos de VN, AIN, TiN y NbN tienen
menos solubilidad en la austenita que los carburos. Las partículas esféricas de
Nb y NbC propician refinamiento del grano, sin embargo el Al, V y Ti son más
efectivos en aceros que tienen mayor contenido de nitrógeno, ya que el Al forma
solo nitruros, el V y Ti forman V(CN) y Ti(CN), los cuales son menos solubles que
sus respectivos carburos. [37]
Las propiedades mecánicas se incrementan y mejoran mediante la adición
de Mn y Si. El Ni y V incrementan la resistencia mecánica en caliente sin
aumentar el contenido de C y/o Mn, debido a la formación de carburos [46].
Illesca S. et al [46] sugieren un tratamiento térmico de austenización con
temperaturas y tiempos de permanencia considerables para asegurar la fase y
en un acero 16Mn4 laminado en caliente. Sin embargo, a temperaturas de 1000
a 1300 °C el grano incrementó de tamaño en función del tiempo. En los primeros
tres incrementos de intervalos de 50 °C. El tamaño de grano creció de manera
anormal en los primeros 5 min para después estabilizarse y seguir con un
crecimiento anormal después de un periodo entre 60 y 90 min. A partir de 1200
°C no se presentaron crecimientos de granos anormales.
Este crecimiento es debido a la disminución de los precipitados de carburos
y nitruros de niobio en el límite de grano. Además, están en función de la
dispersión que tengan los precipitados y la temperatura de solubilidad de estos.
Por lo tanto, un tamaño de grano más pequeño mejoran las propiedades
mecánicas. [46]
En otro caso, Fernández J. [47], evaluó las propiedades mecánicas de los
aceros HSLA con dos aceros similares en la composición química 16MnNi4
(V+Nb) y 16Mn4 (V). A excepción del contenido del elemento microaleante de V.
Determinó el efecto de la variación del % e.p. de V sometido a un tratamiento
térmico para obtener bainita.
40
Los resultados microestructurales muestran bainita superior e inferior con
estructuras de ferrita acicular. El acero conteniendo V presenta una alta cantidad
de ferrita acicular con respecto al acero V+Nb. Asimismo, el acero con V+Nb
presenta un tamaño de grano mayor. Favoreciendo el desarrollo de una alta
fracción de volumen de bainita inferior por el alto número de sitios de nucleación.
Además de que el acero con V+Nb presentan mayor microdureza con respecto
al acero sólo con V. La baja microdureza es debido al mayor contenido de ferrita
acicular. Comparativamente, esta fase es más suave que la bainita que
predomina en el acero V+Nb. Es notorio, que los valores obtenidos en el acero
V+Nb es independiente al tiempo de duración del tratamiento térmico. Mientras,
el acero sólo con V muestra diferentes incrementos de dureza con tiempos de 30
y 60 minutos. [47]
41
CAPITULO 3
DESARROLLO EXPERIMENTAL
La metodología propuesta se establece para obtener información
metalúrgica del efecto de la remoción de material de un acero HSLA por el
proceso híbrido de electroquímico con electrodescargas para procesos de unión
de largueros en la industria automotriz. En esta sección se describe en tres
etapas el desarrollo experimental.
Primera etapa: Consiste en la caracterización del acero HSLA y
planteamiento del diseño experimental.
Segunda etapa: Aplicación de los procesos EDM y ECM por separado para
evaluar sus características operativas y efectos en la remoción de material del
acero HSLA.
Tercera etapa: La aplicación del proceso ECDM y caracterización de las
perforaciones.
42
3.1 Primera etapa
3.1.1 Caracterización metalográfica del material
La caracterización del material antes del proceso de corte (EDM, ECM y
ECDM) consistió en el análisis de su composición química mediante la técnica de
espectrometría de rayos-X de acuerdo a la norma ASTM E1085. Se determinó la
dureza promedio del material por medio de un micro durómetro TUKON-2500,
con una carga de 500gr por 10 segundos. Finalmente se realizó un estudio
metalográfico para determinar la microestructura del material, dicho estudio
metalográfico se detalla a continuación.
La preparación metalografía se llevó a cabo mediante los estándares ASTM
E3 y ASTM E340, bajo estos estándares el material se caracterizó montando la
pieza de trabajo en resina (baquelita) para facilitar su manipulación. Para
observar la microestructura del material, las piezas se desbastan con lijas de
agua de numero 200. 300. 400 y 600, una vez concluido éste paso, se utiliza un
paño con partículas de óxido de aluminio (alúmina) para pulir la superficie del
material en acabado espejo. Entre cada etapa, la pieza es colocada en una
máquina de limpieza ultrasónica (Kendal HB-S-49DHT) por un periodo de 15 a
25 minutos, con el propósito de reducir las partículas del lijado y pulido. Las
piezas se atacan químicamente usando nital al 5%, para revelar el límite de grano
ferrítico y así observar la microestructura.
La evaluación metalográfica de las piezas fue mediante la inspección visual
con ayuda del microscopio óptico OLYMPUS STM6 y estereoscopio Nikon
INFINITY 1 SMZ745T. Se observó las zonas de las perforaciones y su contorno,
de esta manera se detectaron cambios micro estructurales resultantes del
proceso EDM, ECM y ECDM. Posteriormente se empleó la técnica de
microscopía electrónica de barrido (MEB JOEL JSM-6490LV) para analizar la
composición química de manera cualitativa en la superficie del material, además
de observar a mayor aumento las fases presentes en las perforaciones.
43
3.1.2 Diseño experimental
Mediante un diseño experimental factorial se establecen las variables de
entrada del proceso que son la corriente, voltaje-gap y tiempo de maquinado, con
las variables de salida de respuesta de la razón de material removido (MRR),
relación de diámetros de entrada y salida. Este diseño y su metodología se
describen en este capítulo en temas subsecuentes con mayor detalle.
Para estudiar el efecto que tiene los factores de entrada de manera conjunta
con respecto a las variables de salida (tiempo de maquinado, remoción de
material), se adopta un diseño factorial de dos niveles y k factores, ya que
proporciona el mínimo de corridas para determinar cuál de ellas tiene mayor
influencia en las variables de interés.
El diseño factorial 2k para el proceso EDM se tomaron en cuenta 3 factores,
la corriente, el ciclo de trabajo y la capacitancia, como se muestra en la Tabla 3.
1, los niveles y los factores se tomaron en base una corrida de exploración previa.
La experimentación consistió en 8 corridas con una réplica, es decir sumando 16
corridas en total, para determinar el tiempo de maquinado y observar la
microestructura del material. El diseño experimental se muestra en la Tabla 3. 2
Tabla 3.1 Parámetros y niveles del diseño experimental de EDM
Factores
Corriente de descarga (A)
Ciclo de trabajo (%)
Capacitancia (|iF)
•
niveles
35(+)yl3(-)
70(+)y50(-)
0.22 (+) y 0.02 (-)
44
Tabla3.2DiseñodeexperimentosdelEDM
Acero
HSLATiempoONTiempoOFFCorrienteCapacitancia
CorridaspSpSAM-F
1,92020130.02
2,102020350.02
3,112812130.02
4,122812350.02
5,132020130.22
6,14
7,15
20
28
20
12
35
13
0.22
0.22
8,162812350.22
EnelprocesoECMserealizaron11perforacionesdemaneraexploratoria
conlafinalidaddeconocerelproceso.Lascondicionesdemaquinadose
muestranenlaTabla3.3,seanalizarondostiposdesoluciones,sevarióelciclo
detrabajoyelmododeoperación.Larepeticióndelasperforaciones2,3,4y6,
7sedebióqueelsistemaentroencortocircuito.
Tabla3.3ParámetrosynivelesdelexperimentodelECM
Concentración
deSolución
Velocidad
deavance
CiclodetrabajoModode
Perforacióntiempotiempoencendidoapagado
operación
110%enmasade
NaNOs5Ljm/s
100%Voltajeconstante
12V
2,3,410%enmasa
75%NaN03-
25%KBr
5pm/s100%
Corriente
constante
6A
5
10%enmasa
75%NaN03-
25%KBr
5pm/s100%Voltajeconstante
12V
6,7
10%enmasa
75%NaN03-
25%KBr
5pm/s70%
7ms3ms
Voltajeconstante
12V
810%enmasade
NaNOs5pm/s
100%Voltajeconstante
12V
910%enmasade
NaNOs5pm/s
70%
7ms3ms
Voltajeconstante
12V
1010%enmasade
NaNOs5pm/s
85%
8.5ms1.5ms
Voltajeconstante
12V
1110%enmasade
NaNOs5pm/s
95%
9.5ms0.5ms
Voltajeconstante
12V
45
Para el proceso híbrido ECDM se hizo un experimento de 3 factores: la
corriente (dos niveles), Ciclo de trabajo (dos niveles), y la concentración de la
solución (cuatro niveles) como se muestra en la Tabla 3. 4 se muestran los
valores del experimento. Resultaron 16 corridas con una réplica, dando un total
de 32 corridas.
Tabla 3. 4 Parámetros y niveles de la experimentación ECDM
Parámetros Valores
Corriente 10, 25 A
Ciclo de trabajo 40, 80%
Concentración de solución 0, 0.04, 0.12, 0.2 mol/1
Gap 25 V
Frecuencia 15KHz
Soluto NaCI':. .1 i • • ,.':.-.•>•
Solvente Agua desionizada
El análisis de los resultados se llevó a cabo mediante el uso del software
estadístico "MINITAB", con las tablas de análisis de varianza (ANOVA) se
determinaron los efectos de primer y segundo orden junto con las interacciones
de los factores seleccionados. Para determinar la influencia del factor se basó en
el "valor P", de acuerdo a éste valor, si es menor a 0.05 el factor o la interacción
presenta una influencia significativa en el proceso. [48]
3.2 Segunda etapa
Se analizan los resultados obtenidos mediante el análisis estadístico del
diseño de experimentos para la validación del mismo. Una vez concluida con esta
parte del análisis se prosigue a elaborar un artículo para su posterior publicación.
Por último la elaboración y redacción de la tesis, en la Figura 3. 1 se muestra el
diagrama de la metodología.
46
ro
Q.ro
CLro
• -o
.'••'. •'•••• i,- \ •
Revisión del edo. del arte continuamente
IAdquisición de los materiales
Caracterización previa del acero:microestructural por M. óptica y MEB
IPlanteamiento del diseño experimental
para EDM, ECM y ECDM (parámetros)
i
_ED?ü!L
o del sistema- i—i
ECMS
Perforaciones en muestras de acero HSLA
i :inspección microestructural por M. óptica y
MEB de la superficie
Puesta a punto del sistema ECDM
2.roo. i - • 1
+5 Perforaciones en muestras de acero HSLAi i i U A
Im
Elaboración de
artículo parapublicación
Inspección microestructural por M. óptica yMEB de la superficie
Análisis de resultados
IEscritura de tesis
Análisis de las
variables de
respuesta
Figura 3.1 Diagrama de la metodología propuesta
3.2.1 Preparación de las muestras y proceso de corte
Las muestras destinadas para el proceso EDM se maquinaron 2 placas a las
dimensiones de 47x24x8 mm, una cara de las dos piezas se rectificó para
asegurar que las dos piezas tuvieran contacto en el momento de la perforación.
Las dos placas se colocan con las caras rectificadas una contra la otra, se emplea
una prensa para sujetarlas durante el maquinado, dos barras paralelas son
usadas para dejar la superficie de las placas perpendicular al electrodo, también
se utilizó un indicador de carátula para comprobar la alineación de las placas y
centrar el electrodo en línea de separación de las placas. Una vez realizado los
pasos anteriores se prosiguió a realizar las perforaciones, cada perforación es
separada cada 2mm como se muestra en la Figura 3. 2
47
Perforaciones
si ^s *\ /"\ /"N **ti~\ r\ r\ s\ /"i s\ ¿"\, /•> /'"v />\_
Placa 1
1 1 "t^t-S^t't^
24 mm
2mm Placa 2
*— — 3>
47 mm
Figura 3. 2 Diagrama de perforaciones por EDM
Se usa una máquina EDM "SODICK K1C" para realizar las perforaciones, se
selecciona un electrodo de latón con sección circular de 0O.8mm, el fluido
dieléctrico es "VITOL" (a base de queroseno). El servo control de la máquina se
estableció en 22V en todas las perforaciones. Para la obtención de tiempo se
designaron a dos observadores con cronometro, uno de ellos empezaba cuando
el electrodo entraba en contacto con las piezas y se observaban chisporroteo en
la parte superior, terminaba de tomar el tiempo en el momento que se veía salir
el electrodo en la parte inferior; el segundo observador tomaba el tiempo cuando,
un indicador de voltaje situado en el panel de control, indicaba un aumento de
voltaje, finalizaba cuando el mismo indicador tenía una caída abrupta y
continuaba con oscilaciones irregulares. Para el cálculo del volumen de las
perforaciones (V) (Ecu. 6)se utilizó la fórmula del cono truncado; donde h es el
espesor de la placa, R el radio de entrada de la perforación y reí radio de salida
de la perforación. A demás se estimó la relación de diámetros de entrada y salida
para determinar la integridad de la perforación.
V =-nh(R2 + 2Rr + r2) (6)
En cuanto a la preparación de las muestras del ECM, se maquinaron a un
espesor de 3mm con dimensiones de 47x47mm, la reducción del espesor de las
placas se debió a la limitante de la celda de ECM. Dichas placas no requirieron
una preparación especial en la superficie o un acabado mayor al dejado por el
48
maquinado. Para la realización de las perforaciones, las placas se colocaron en
unas mordazas de PVC dentro de un recipiente con electrolito, la separación de
cada perforación se designó de acuerdo a la perforación previa, debido a las
dimensiones del orificio que no eran posible predecirlas, la distribución de las
perforaciones se muestra en la Figura 3. 3.
A)
Figura 3. 3 Diagrama y fotografía de la placa de acero y las perforaciones realizadas
La celda de ECM está compuesta por un recipiente en el cual se coloca el
electrolito y las mordazas para sujetar la pieza de trabajo y una manguera
conectada a una bomba que hace circular el electrolito a través del electrodo. La
fuente de potencia (Dynatronix CRS12-50LFP DC) está conectada al electrodo
con el borne negativo y a la pieza de trabajo con el borne positivo, además cuenta
con una interface a un PC para recopilar información durante el funcionamiento
de los niveles de corriente y voltaje. Adicionalmente se utiliza un sistema láser de
localización del electrodo con respecto a la superficie de la pieza. El esquema de
la celda de ECM se muestra en la Figura 3. 4.
49
Sistema láser de posicionado
Deposito de electrolito
Figura 3. 4 Diagrama del la celda de ECM
La placa se coloca dentro del recipiente sujetada de las mordazas y
conectada a la fuente de poder por medio de caimanes y se conecta el electrodo,
para empezar la perforación es necesario calibrar la separación de la punta del
electrodo y la pieza de trabajo, para esto se acerca la punta del electrodo a la
superficie de la placa y utilizando un multímetro que detecte continuidad se
asegura que el electrodo ha hecho contacto con la pieza, una vez detectado el
contacto se calibra el instrumento láser y se establece el cero en ese punto, el
electrodo se retrae 0.2mm para empezar a bombear el electrolito y empezar el
maquinado.
3.3 Tercera etapa
Las muestras para el proceso ECDM se maquinaron de manera similar a las
del EDM, las dimensiones de las placas fueron 15x11 mm y 8mm de espesor. Un
juego de placas se dispusieron con el acomodo en pares, la cara de contacto con
las dos placa se le aplico rectificado para asegurar un contacto completo en la
esa sección como se muestra en la Figura 3. 5. Se usó una prensa de banco para
sujetar el par de placas y se empleó el uso de placas paralelas para color las
placas perpendicularmente al electrodo, también para asegurar dicha
50
perpendicularidad se empleó un indicador de carátula para la alineación. Dos
perforaciones se realizan por cada juego de placas, la segunda perforación
corresponde a la réplica de los parámetros. El centro de la perforación se centró
en la línea de separación de las dos placas.
llmm
í ''•• • -\j •'- '."
-•'.'. .
15mmn ^^i
Caras Rectificadas
Figura 3. 5 Esquema de los cortes de placas para proceso ECDM
Se usó una máquina EDM "RIVER 3 OCEAN TECHNOLOGIES" con un
electrodo de latón de 2mm de diámetro externo, el fluido de trabajo es agua
desionizada con diferentes concentraciones de NaCI. Para cada cambio de agua
la máquina se limpiaba con agua desionizada, asegurándose que el líquido
anterior fuese retirado de las mangueras de conducción. Para la toma de tiempo
se empleó un cronometro, el cual si iniciaba al momento de presionar el botón de
inicio y se detenía cuando la máquina dejaba de producir chispas. Esta última
función estaba programada en la máquina que al llegar a cierta distancia
preestablecida se detenía. El par de placas se pesaron antes y después de las
perforaciones con una báscula "OHAUS PIONEER PA512C" al finalizar las
perforaciones las placas se sumergieron en alcohol por un periodo de no más de
1minuto para desplazar el agua remanente y conseguir así que secaran.
51
Se calculó la cantidad de material removido con la diferencia de peso
dividiéndolo entre el tiempo de maquinado de cada corrida. De igual manera, se
obtuvo la relación de diámetros de entrada y salida de las perforaciones,
midiendo dichos diámetros con el software Image-Pro Plus de las imágenes
tonadas con el estereoscopio.
52
CAPITULO 4:
DISCUSIÓN DE RESULTADOS
4.1 Primera etapa
Previo a realizar la experimentación el material, se caracterizó por
espectrometría de masas para evaluar la composición química y por microscopía
óptica para observar la micro estructura del acero HSLA. Una vez realizada esta
etapa, se prosigue con la fase experimental en la máquina EDM-ECM para
realizar las perforaciones en las perforaciones en las placas de acero, tomando
el tiempo de operación para cada corrida junto con las réplicas
De manera paralela; se llevó a cabo un trabajo con fines comparativos del
efecto del proceso de remoción de material empleando una máquina EDM
industrial. En este caso, las variables están en función de la programación
preestablecida de la máquina así como la corriente, el gap y el tiempo de
operación.
53
4.1.1Caracterizacióndelmetalbase
EnlaTabla4.1seresumenlosresultadosdelanálisisespectrometríade
emisiónatómicaporchispadelaceroHSLASAE945X.Seapreciaporel
contenidodecarbonoqueesteaceroesfactibledeendurecersesuperficialmente
pordifusióndeC.AsimismocontenidossuficientesdeMnparaincrementarla
tenacidad.
Tabla4.1ComposiciónquímicadelaceroHSLA
%C%S%Mn%P%Si%Cr%Ni%Mo%Cu%V%Nb%Ti%W
SAE945X
HSLA0.190.0030.80.010.110.01<0.040.010.026<0.004<0.0040.005<0.002
Porotrolado,inspeccionespormicroscopíaópticamuestranla
microestructuraatacadaquímicamente.Abajosaumentosseaprecianbandas
deferritayperlitadebidoaladireccióndelalaminacióndelacero(Figura4.1
(a)).Aaltasamplificacionesmuestrafasesdemartensitarevenidaetiquetadacon
laletraM(Figura4.1(b)).Cabemencionarquelamicrodurezapromediodel
aceroesde170HV.
Figura4.1MicrografíasdelaceroHSLASEA945X,(a)bandeamientodelamicroestructura;(b)fasesdeferrita(F)colorclaro;perlita(P)coloroscuro,martensita(M).
54
4.2Segundaetapa
4.2.1Caracterizacióndelasperforaciones
Conbaseeneldiseñodeexperimentosplanteadosenlasección3.3y
considerandolasvariablesdeentradadelaTabla3.2,Tabla3.3,seprocedióa
realizarlacaracterizacióndelasperforacionesdelaplacadeaceroHSLAporel
procesoEDMyECM.
4.2.2PerforacionesporEDM
EnlaFigura4.2semuestralaseccióndelcortetransversaldelaceropulido
con16perfilesdeperforacionesporelprocesoEDM.Seapreciaadetalleuna
cantidaddematerialexcedenteenlaentradadelasperforaciones
correspondientesalparámetrodecorriente(+)delasperforaciones2,4,6,8,10,
14y16.Estefenómenoesatribuidoalaltoniveldedescargayalsentidodela
circulacióndeldieléctrico.Además,seobservanirregularidadesenlassuperficies
ylosdiámetrosdelasperforaciones.Comparativamente,laperforación4
presentamayorensanchamientodeldiámetroalamitaddelaperforación.
Cabemencionarqueelmaterialsobresalientedelasperforacioneshechas
conaltoniveldecorrientemuestra,metalre-solidificado(Figura4.2(2,4,6,7,
10y16.Porotrolado,enlaFigura4.3semuestraunaimagenconsurespectivo
EDXdelapartesuperiordelaperforación10.
55
Figura 4. 2 Micrografías de SEM de las perforaciones por EDM
Cabe mencionar que el material sobresaliente de las perforaciones hechas
con alto nivel de corriente corresponde a un fundido solidificado. Debido a la
generación de elevadas temperaturas en la parte inicial de la perforación. A más
altas amplificaciones por MEB en las zonas fundidas del agujero 10, se aprecian
imperfecciones irregulares correspondientes a metal líquido solidificado (Figura
4. 3). La naturaleza química por EDX en esa zona inspeccionada, detecta
elementos de Cu, Mn y Si. Estos mismos se presentan en las demás
perforaciones (Figura 4. 4). El Cu es debido al electrodo que se empleó en estas
perforaciones. Los elementos de K, Ca, Cl y S son debido a contaminación de la
muestra durante su preparación y manipulación metalográfica. Estos análisis
químicos son consistentes con reportes en la literatura [13].
56
Figura4.3MicrografíaSEMyanálisisEDXdelaperforación10.SegregacióndeelementosdeCu,MnySienlapartesuperiordelaperforación
Figura4.4MicrografíaSEMyanálisisEDXdelaperforación8delacapademetalfundido.
Comparativamente,elniveldesegregaciónenlaszonasperforadascon
altosnivelestomadasdeldiseñodeexperimentos(perforación10),mostraron
unaaltasegregacióndeCuenlasorillasdelasperforacionesdebidoaldesgaste
continuodelelectrodo(Figura4.5).Encontraste,enlasvariablesdebajonivel
nomuestralasegregacióndelCu(Figura4.6).
57
ía) Zák* (b)
1*1
(c)
f
Figura 4. 5 Micrografía SEM y análisis EDX de la perforación 10: 35A, 50% ciclo de trabajo,0.02 pF Capacitancia a) Metal fundido en la superficie; b) Cu; c) Mn, d) Si, e) O.
Figura 4. 6 Micrografía SEM y análisis EDX de la perforación 9: 15 A, 50% ciclo de trabajo,0.02pF Capacitancia a) Sin metal fundido en la superficie; b) Cu; c) Mn, d) Si, e) O.
El efecto de la segregación por Cu en lo largo de las orillas de las
perforaciones son inspeccionadas en muestras atacadas químicamente. Con
fines comparativos también se inspeccionaron las perforaciones (1-4) con bajos
niveles de variables de acuerdo a la Tabla 3. 2.
En la Figura 4. 7 se muestran una serie de micrografías de las perforaciones
(de la 1 a la 4), las perforaciones 1 y 3 no presenta una gruesa capa de metal
fundido solidificado, debido a que no es detectable a los aumentos del
microscopio, en contraste con las perforaciones 2 y 4, presentan zonas donde se
distingue claramente el material fundido solidificado sin microestructura definida.
No obstante, en la perforación 4, se detectaron agrietamientos en la capa de
58
metal fundido solidificado y la propagación de grietas al metal base. Se postula
que las cascarillas de óxido formadas por la corrosión galvánica, desprende el
metal base. Sin embargo, reportes en la literatura [49] sugieren que la
segregación debido al Cu incrementa la resistencia del acero por precipitación
del Cu. Sin embargo, esta segregación rica en Cu (mayor a 0.2% e.p.) incrementa
la susceptibilidad al agrietamiento por hidrógeno.
Metal resolidificado
Figura 4. 7 Micrografía óptica de las perforaciones 1 al 4. Propagación de microgrietas almetal base en el cuerpo de la perforación 4.
En las perforaciones 15 y 16, como se muestran en la Figura 4. 8 y Figura 4.
9 respectivamente, se observan cambios en las zonas cercanas a la pared de la
perforación. En la perforación 15 (Figura 4. 8) señalado como zona 1, 2 y 5 se
observa una capa de metal re-solidificado que varía de espesor, en la zona 3 se
aprecia corrosión en la superficie de la perforación, en la zona 4 se ve un grano
cortado de martensita, el cual tiene una capa de metal solidificado delgada y
presenta una sección diluida entre el grano y dicha capa.
59
Zona 5
M
Zona 4
i
Figura 4. 8 Micrografías de la perforación 15 mostrando las zonas de interés de cambiosen la superficie de maquinado; zona 1, 2 y 5 metal re-solidificado, zona 3 corrosión ensuperficie, zona 4 grano de martencita cortado
En la Figura 4. 9 se muestran las mismas características, en la zona 1 se
observa un cambio de coloración adyacente a la superficie de la perforación, esto
es debido a la zona afectada térmicamente la cual se muestra a mayor aumento
más adelante. La zona 2 muestra corrosión en la superficie. La zona 3 presenta
un grano de martensita con afectación térmica, ya que se observa un cambio de
tonalidad del lado de la superficie del corte. En la zona 4 se aprecia una capa de
metal solidificado que presenta una fase diferente a la del metal base, esto es
causado por la adición de Cu y el rápido enfriamiento del Fe después de los saltos
de chispas.
60
Figura 4. 9 Micrografías de la perforación 16 mostrando las zonas de interés de cambiosen la superficie de maquinado; zona 1 cambio de fase en la franja adyacente a la orilla,zona 2 corrosión en superficie, zona 3 grano de martencita cortado con afectación térmica,zona 4 capa de metal re-solidificado
En la Figura 4. 10 se muestra una imagen por microscopía óptica de una
perforación superior completa construida a partir de diversas micrografías de las
perforaciones 1 y 2. Se observa una irregularidad de la circunferencia y capas de
metal solidificado en la perforación 2. En esta misma imagen se observa una
zona afectada térmicamente (ZAT) en color oscuro debido, al ataque químico. El
ancho del ZAT varía entre 80 y 100 um. Estas ZAT se observaron
predominantemente en la entrada de las perforaciones. Por otro lado, en las
inspecciones laterales de la perforación observó un trayecto de forma cónica de
500 a 700um.
61
• I >
Metal resolidificado
Figura 4.10 Micrografía óptica de la vista superior de la entrada de las perforaciones 1 y 2.
De acuerdo a la discusión anterior y a la segregación de Cu a lo largo de la orilla
de las perforaciones, se procedió a inspeccionar por MEB la parte inicial, media
y final de la perforación. Con el fin de analizar la micro estructura e, identificar
fases a más altas amplificaciones y elucidar el efecto del Cu en la formación y
propagación de microgrietas.
La Figura 4. 11 muestra tres zonas (inicial, intermedia y final) inspeccionadas en
la orilla de un acero HSLA perforado por el proceso EDM, bajo condiciones altas
del diseño de experimentos. Se observa material fundido re-solidificado cercano
a la superficie del acero que es la zona inicial de la perforación del acero (Figura
4. 11 (a)). Posteriormente, en la zona intermedia de la perforación, se aprecia
una microestructura recristalizada de fases de ferrita y perlita, así como un óxido
de hierro en la orilla de la perforación 16. En contraste, en la zona final de la
perforación del acero, se observa un material deteriorado. Debido a fenómenos
62
sinérgicos de la temperatura y tiempo de permanencia del acero en el medio
electrolítico. Así mismo se observan microporos cubiertos de óxido.
Figura 4.11 Imágenes de electrones secundarios de tres zonas de la orilla del acero HSLAperforado por el proceso EDM. Zonas: a) Superior; b) intermedia (O: óxido de Fe, F: ferritay P: Perlita) y c) Final.
63
En la Figura 4. 12 muestra la orilla de las perforaciones 1, 2, 3 y 4 de acuerdo a
la Tabla 3. 2. Se observa una zona de afectación térmica para todos los casos.
Para la perforación 1, presenta un grosor de cambio de fase de 14 a 15 um
seguida de una franja donde se distingue un engrasamiento de las placas de
cementita debido al aporte de calor. En la perforación 2, la profundidad del ZAT
tiene una distancia de 35 um, aproximadamente. Asimismo, presenta un
engrasamiento de las placas de cementita en la zonas aledañas. La perforación
3 tiene una distancia de 22 um y se observa agrietamiento. En el caso de la
perforación 4, la ZAT incrementa de 61 a 70 um, además, se aprecia una capa
re-solidificada rica en Cu con una distancia de reación de 13 um debido a la
difusión de este elemento durante el desgaste del electrodo.
0 m• • • •" — "•"*
• 34.80 |im 1
•
S8 20KV W010mm SS50 " x1.S0í .. 10jim ———18 Mai 2015
S61, 20kV " wblOmiri SSM *t,5(» 10(jm -~——•-" " - -- "•'' , 18 Mar 2015 '
H
i—-—JMÜ•91
SE!"""" 2'OtVV WO10mn» SS50 x1,5G0 10pm ———•18 Mar 2015
|d)|
9 61.00 um •
1 13.20 |*m I
Bj 76.80 ^m I
Figura 4.12 Micrografías de electrones secundarios de la orilla de la: a) Perforación 1 con15A, 50% de ciclo de trabajo, 0.02pF; b) Perforación 2 con 35A, 50% de ciclo de trabajo,0.02pF; c) Perforación 3 con 15A, 70% de ciclo de trabajo, 0.02pF; d) Perforación 4 con 35A,70% de ciclo de trabajo, 0.02 pF
64
Inspecciones a altas amplificaciones en lazona final del acero perforado bajo
las altas condiciones del diseño de experimentos, se aprecia la fase de la
martensita conteniendo microgrietas en su interior (Figura 4. 13). La naturaleza
química de estas microgrietas se muestra en el EDX. Los picos intensos son de
O y Fe lo cual confirma la presencia de óxido de hierro. Sin embargo, se resalta
un pico de menor intensidad de Cu, que corresponde al material del electrodo.
Es importante mencionar que el Cu en la martensita es debido a un proceso
difusivo activado térmicamente durante la perforación del acero HSLA. Por lo que
cualquier defecto en la estructura cristalina en la martensita atérmica o esfuerzo
externo facilita la formación de microgrietas. Además, se postula que el Cu en la
fase martensítica induce esfuerzos residuales por dos motivos: 1) tensa la red
cristalina de la martensita debido al alojamiento substitucional del Cu y 2) por las
diferencias en las propiedades físicas de expansión térmica y contracción entre
el Cu y la martensita.
• •• • -
;V Spot Maqn 0«t WD CxpOkVíO ÍOOOx SE 10? I
.<<*
Figura 4. 13 Imágenes de electrones secundarios de la martensita en la zona final de laperforación de un acero HSLA con EDM y la naturaleza química detectada por EDX.
4.2.2.1 Análisis estadístico de EDM
Los resultados obtenidos de las corridas se muestran en la Tabla 4. 2, en la
cual se incluye el tiempo de maquinado de cada perforación, el valor estimado
del MRR y la relación de diámetros de salida y entrada (0sal / 0ent). Esta última
relación indica que entre más próximo esté el valor a 1 indica que la perforación
es cilindrica, en caso de ser menor a uno, el diámetro de entrada es mayor al de
salida indicando que la perforación es cónica.
Tabla 4. 2 Resultados del diseño experimental
Ciclo de Tiempo deNúmero de Corriente trabajo Capacitancia maquinado MRR Relación
experimento A % MF S mm3/s. 0ext / 0ent
1 13 50 0.02 43 0485 0.954
2 35 50 0.02 24 0.969 0.858
3 13 70 0.02 46 0.486 0.916
4 35 70 0.02 30 0.919 1.009
5 13 50 0.22 42 0.453 1.008
6 35 50 0.22 17 1.272 1.043
7 13 70 0.22 35 0.589 0.936
8 35 70 0.22 18 1.342 0.941
9 13 50 0.02 44 0.419 0.959
10 35 50 0.02 20 1.113 1.024
11 13 70 0.02 33 0.609 0.972
12 35 70 0.02 31 0.627 0.961
13 13 50 0.22 40 0.457 1.036
14 35 50 0.22 • 15 1.399 1.048
15 13 70 0.22 31 0.632 0.940
16 35 70 0.22 25 0.977 0.959
En la Figura 4. 14 se muestran los efectos principales y la interacción de los
parámetros para la MRR. La corriente de descarga presenta una línea con
pendiente positiva, lo que indica que el parámetro tiene influencia en el MRR de
manera proporcional. De igual manera, la capacitancia presenta una pendiente
positiva significante, lo que impacta en la remoción de material de manera
proporcional. Las interacciones de corriente-ciclo de trabajo y corriente-
capacitancia tienen, también, influencia en el MRR como lo indica la Tabla 4. 3.
Donde el valor P al ser menor que 0.05 indica un parámetro relevante en el
análisis estadístico.
66
•
1.2
1.1
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
15 30
Corriente (A)
50 75
Ciclo de trabajo (%)
1.2
1.1
1
0.9
.0.8
0.7
0.6
0.5
0.1
0.3
Efectos principales para MRR
1.2
1.1
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.02 0.22
,- . Capacitancia ((jF)
Gráfica de interacción para MRR
0.02 0.22
Capacitancia {\iF)
50 75
Ciclo de trabajo (%)
0.02 0.22
Capacitancia (uFi
Figura 4.14 Gráficas de efectos principales y de interacción para MRR
Tabla 4. 3 Coeficientes de regresión el diseño experimental
Ciclo de
trabajo
-50%
-70»
Coeficientes de regresiónestimados para MRR
Coeficiente de
estimados pararegresión0sal/0ent
Coeficiente Valor P Coeficiente Valor P
Constante 0.79682 o.ooot 0.97276 O.OOOf
Corriente de descarga 0.2805 o.ooot 0.0076 0.527
Ciclo de trabajo -0.0241 0.484 -0.0185 0.146
Capacitancia 0.09328 0.022t 0.01613 0.198
Corriente-Ciclo de trabajo -0.08682 0.030t 0.00564 0.637
Corriente-Capacitancia 0.07688 0.047t 0.00121 0.919
Ciclo de trabajo-Capacitancia 0.01912 0.576 -0.02632 0.051t
Todas 0.00394 0.908 -0.00844 0.484
67
Como se menciona en la literatura [16, 50], el MRR es proporcional a la
cantidad de energía suministrada en cada pulso, donde la energía de descarga
(We en Joules) es influenciada por la intensidad de corriente (/e en Amperios), el
voltaje de descarga (Ue en volts), y el tiempo de maquinado (t en segundos)
En la ecuación (7) se muestra la energía de descarga como una función de
tiempo, este comportamiento explica el incremento de MRR cuando la corriente
y el ciclo de trabajo se incrementan. Como se ha mencionado con anterioridad,
el incremento de la energía de descarga causa el incremento del diámetro del
canal de plasma, por consecuencia se aumenta el material fundido y el MRR
también aumenta disminuyendo el tiempo de maquinado.
La relación de diámetros de salida y entrada, es afectada por la interacción
del ciclo de trabajo y la capacitancia. Como se muestra en la Figura 4. 15, en las
gráficas de los efectos principales el ciclo de trabajo y la capacitancia tienen
pendientes pronunciadas de manera negativa y positiva respectivamente, es
decir, con bajos niveles del ciclo de trabajo se conserva la precisión de la
perforación. En contraste con la capacitancia, al aumentar los valores de la
capacitancia, la perforación es cercana a ser un cilindro. Este efecto es atribuido
a la estabilidad del arco de plasma que se forma en cada chispa; con periodos
cortos de tiempo de apagado en cada pulso no es posible remover todo el
material fundido, lo que causa que las sucesivas descargas se lleven a cabo en
el mismo sitio, produciendo una mayor erosión localizada en la superficie.
Además el incremento de la energía de descarga provoca que el electrodo se
desgaste y pierda sus dimensiones originales. [15]
i
0.995
0.99
0.985
© 0.98<§ 0.975S 0.97
S 0.965
C B.<*
O 0.955
{j 0.95•
1
0.99
1 «"Q 0.97
® 0.95
5 0.94oro
•
15 30
Corriente (A)
Efectos principales para Relación 0Sal/0En,
0.995
0.99
0.985
0.98
0.975
0.97
0.965
0.96
0.955
0.95
1
0.995
0.99
0.985
0.98
0.975
0.97
0.965
0.96
0.955
0.95
50 75
Ciclo de trabajo (%)
Gráfica de interacción para Relación 0Sai/0Ent
50 75
Ciclo de trabajo (%) Capacitancia I(jF}
0.02 0.22
Capacitancia (pF)
Ciclo de
trabajo
50%
0.02 0.22
Capacitancia (pF)
-7014
Figura 4.15 Gráficas de efectos principales y de interacción para la relación 0sai/0Ent
4.2.3 Perforaciones por ECM
La Figura 4. 16 muestra la placa de acero HSLA con siete perforaciones
(etiquetadas con números) y una superficie dañada por los efectos corrosivos del
medio acuoso. Cabe mencionar que las perforaciones 2, 3, 4 y 7, están
incompletas debido a que la velocidad de avance del electrodo fue mayor a la
velocidad de remoción, en consecuencia, el sistema quedó configurado en corto
circuito.
Este fenómeno es atribuido al modo de operación de la máquina, es decir,
las perforaciones 2, 3 y 4 se trabajó con corriente constante de 6 A, por lo que la
fuente de poder debe compensar la caída de la densidad de corriente con el
aumento del voltaje. Sin embargo, debido a las limitaciones de la fuente de poder,
no es posible compensar dicha caída. En el caso de la perforación 7 resultó
incompleta debido a que la temperatura del electrolito aumentó, y con el fin de no
69
-
comprometer la parte operativa de la máquina se decidió no continuar con esta
corrida.
10 mm
^^^HHH
Figura 4.16 Fotografía de las perforaciones 1-7 en la placa HSLA con proceso ECM
En la Figura 4. 17 (a) y (b) se muestran por microscopía óptica los cortes
transversales de las perforaciones 1 y 2. En la perforación 1 (Figura 4. 17 (a)) se
observa una superficie aserrada a lo largo de ésta, además de un redondeo en
el borde de entrada. En la perforación 2 (Figura 4. 17 (b)) se observa que la
superficie está menor aserrada debido a que la disolución fue más continua
durante la remoción de material hacia un lado, además, se aprecia en la Figura
4. 17 (a) y (b) la presencia de un montículo en la parte central correspondiente a
la cavidad del electrodo, ya que el electrolito circula de forma circular a través del
mismo.
¡O v .:•• •
>,
70
Figura 4.17 Imágenes de microscopía óptica del perfil de las perforaciones 1 (arriba) y dela perforación 2 (abajo) por el proceso ECM.
En la Figura 4. 18 se observa la perforación 5 construida por varias
micrografías y sus respectivas amplificaciones. En ambos lados de la perforación
se aprecian superficies aserradas debido a efectos selectivos
electroerosionadores del proceso en los granos del acero HSLA. Este hecho es
consistente con la presencia de corrosión en las zonas del desprendimiento de
grano en la superficie del material.
71
Figura 4.18 Micrografíaóptica del perfilde la perforación 5 por ECM, Se observa corrosiónen el borde (1, 2,4, 5) y dilución de fases no controlada (2, 3, 5, 6)
En la Figura 4. 19 se muestra micrografías de la perforación 6, en la cual se
observa que en la superficie es más uniforme que en la perforación 5. Sin
embargo presenta corrosión. En la micrografía 3, 5, 6 y 7 se presentan picaduras
en las bandas de perlita. Reportes en la literatura [29, 31] mencionan que la
solución empleada en el proceso ECM favorece más la disolución de una fase
que otra. En este caso particular el NaNÜ3 y el KBr con las concentraciones
especificadas en la Tabla 3. 3 la solución presenta mayor afinidad a la disolución
de la perlita.
72
Figura 4.19 Micrografía óptica del perfil de la perforación 6 de ECM, zona de corrosión enel borde (1, 3, 4, 5, 6) y dilución de fases de perlita (3, 6, 7)
Comparativamente, la Figura 4. 20 muestra una superficie más uniforme
(menos aserrada) y con menos presencia de óxidos. No obstante, se aprecia la
disolución de la perlita en las zonas de bandeamiento.
2a
Figura 4. 20 Micrografía óptica del perfil de la perforación 11 de ECM, zona de corrosión enel borde (1,3, 4, 5,) y dilución de fases de perlita (3, 5); granos sin alteración (2, 2a)
73
Una vez observadas las muestras por microscopio óptico al inspeccionar los
cambios en la superficie del perfil lateral de las perforaciones, se prosiguió a
utilizar el microscopio de barrido de electrones para analizar el borde a altas
magnificaciones.
En la Figura 4. 21 Se observa un deterioro intergranular adyacente a capa
de corrosión con precipitados de cementita. En la literatura [51] explica este
fenómeno como consecuencia de la diferencia de la conductividad eléctrica entre
la ferrita y los carburos, especialmente el grafito. Esto produce una amplificación
del campo eléctrico local en la interface, implicando una alta densidad de
corriente, así la microestructura es oxidada.
Figura 4. 21 Imagen de electrones retrodispersados del deterioro intergranular yprecipitación de carburos de cementita expuestos.
Por otro lado, en la perforación 11 se aprecia a detalle el desprendimiento de
un grano de ferrita debido al deterioro intergranular que disminuye las fuerzas de
cohesión entre granos (Figura 4. 22 (a)). En la Figura 4. 22(b) se aprecia la
disolución de la cementita hacia el interior de la pieza.
En la Figura 4. 22 (c) y (d) se muestran imágenes de MEB de cementita
proeutectoide, disolución y fases de ferrita y cementita en la perforación 8. Este
fenómeno son atribuidos a los efectos térmicos durante la remoción del material
del acero HSLA pro el proceso de ECM. Comparativamente, en el proceso EDM
las láminas de la cementita y los límites de grano no son alterados. Estos
. . .'•.•..•:
74
...'*•;..'.-
resultados son consistentes con los reportes en la literatura [5, 23-24] en el cual
sugieren que el proceso ECM no implica un cambio de microestructuras
adyacentes a la superficie de corte.
Figura 4. 22 Imágenes de electrones retrodispersados de las perforación 11 (a, b) y 8 (c, d)por el proceso ECM, (a) desprendimiento de un grano de ferrita; (b) disolución de lacementita en el metal base, (c) disolución irregular de la superficie; (d) disolución de lacementita en el interior del metal base
•
75
4.3 Tercera etapa
En esta etapa se aplicó el proceso híbrido a las placas de acero HSLA,
haciendo uso de la maquina RIVER 3 OCEAN TECHNOLOGIES se lograron
perforar dichas placas. En esta sección se discutirá los aspectos más relevantes
encontrados en las perforaciones como lo son los aspectos microestructurales y
las relaciones de parámetros que tienen con respecto a las variables de salida.
4.3.1 Perforaciones por ECDM
El perfil de las perforaciones realizadas por el proceso híbrido se muestran
en la Figura 4. 23. En este caso, las perforaciones se llevaron a cabo con cuatro
niveles de concentración del fluido de trabajo y en parámetros bajos de corriente
y ciclo de trabajo, y de manera comparativa con los parámetros altos de corriente
y ciclo de trabajo.
Las macrografías se tomaron después de realizar las perforaciones, las
cuales muestran que la superficie presenta corrosión por el medio del fluido de
trabajo y por intemperismo. Las diferencias que se aprecian en las macrografías
se describen a continuación.
En la Figura 4. 23 (a) y (e) las superficies de los barrenos presentan cráteres
en contraste con el resto de los barrenos. 2) Las medidas de los de las
perforaciones que se tomaron a diferentes alturas son más amplias, cuando se
presenta las condiciones de maquinado de baja corriente y ciclo de trabajo al usar
las soluciones de NaCI a sus diferentes concentraciones. En la Figura 4. 23 (b,
d) se visualiza un sobrecorte excesivo, en especial en la imagen (d) que presenta
un perfil en forma de embudo, este efecto se debe a un tiempo prolongado de
exposición del electrodo sin avanzar. La máquina EDM RIVER 3 se detuvo por
un periodo de tiempo de más de 10 minutos sin avanzar el electrodo, debido a
un osciloscopio se observaba los pulsos de voltaje y de corriente de manera
regular. Lo anterior sugiere que el sistema entro en equilibrio, es decir, los
sensores de la máquina que indican al electrodo avanzar o retroceder, asi como
76
la captación de las señales (estables para no mover el electrodo). Por lo tanto, el
sistema de control de la máquina no está diseñado para trabajar con un fluido de
trabajo que presente una conductividad mayor a 4.41mS/cm (correspondiente a
0.04 mol disuelto en un litro de agua desionizada).
Figura 4. 23 Macrografías del perfil de las perforaciones por ECDM en condiciones de 10A,40% ciclo de trabajo a) agua desionizada; b) 0.04 mol; c) 0.12 mol; d) 0.20 mol y concondiciones de 20A, 80% ciclo de trabajo e) agua desionizada; f) 0.04 mol; g) 0.12 mol; h)0.20 mol
77
En la Figura 4. 24 se observa los resultados del perfil de las perforaciones
con agua desionizada, en el cual se muestra las condicionesdel maquinado EDM
como se ha mencionado en la sección 4.2.2. Se presenta una capa de metal
solidificado que varía de 8 a 13 um de espesor en condiciones baja (Figura 4. 24
(a)). Así mismo, presenta engrasamiento de la cementita a una distancia de 6 um
entre de la capa de metal solidificado y el metal base. En condiciones de 20 A y
80% de ciclo de trabajo (Figura 4. 24 (b)) se observa la misma formación de la
capa solidificada que varía de 12 a 17 um, seguida de una capa de
transformación de fase a martensita con un espesor de 8 pm, además, una zona
con un espesor de 15 pm de engrasamiento de las laminillas de cementita.
Figura 4. 24 Imagen de electrones secundarios del perfil de las perforaciones con aguadesionisada y (a) 10 A de corriente de descarga, 40% ciclo de trabajo (b) 20 A de corrientede descarga, 80% ciclo de trabajo .. „ •]<:••'•:
Comparativamente, en la Figura 4. 25 se muestran algunas de las
perforaciones con las concentraciones de NaCI: 1) 0.04 Mol/I (Figura 4. 25 (a) y
(b)), 2) 0.12 Mol/I (Figura 4. 25 (c) y (d)) y 3) 0.2 Mol/I (Figura 4. 25 (e) y (f)) en
condiciones bajas y altas de corriente de descarga y ciclo de trabajo. En las
cuales se observa que no existe una zona de transformación martensitica,
además, se aprecian los granos de ferrita y perlita en el borde de la perforación
sin alteraciones. El tamaño de las laminillas de cementita que se encuentran
próximas a la orilla de la perforación permanecen del mismo grosor que las que
se encuentran más alejadas en el mismo grano. Tampoco se observa disolución
preferencial por alguna de las fases o límite de grano como se ha mostrado en
78
los aceros HSLA procesados por ECM (Figura 4. 21 y Figura 4. 22). El acabado
de las perforaciones se encuentra libre de defectos a simplevista que presentaba
el proceso EDM y ECM por separado. Cabe mencionar, que parte del material
perforado por el proceso EDM, no hay evidencia de una capa de metal
solidificado ni afectación térmica. No obstante, en el material perforado por
ECDM presenta una superficie más uniforme.
(a)
•••¥
10 pm
(c)
4.
. •
10 pm
(e)
y 10 pm
Figura 4. 25 Imágenes de electrones electrodispersados del perfil de las perforaciones: a)10 A, 40% de ciclo de trabajo, 0.04 Mol/I de NaCI; b) 20 A, 80% de ciclo de trabajo, 0.04 Mol/Ide NaCI; c) 10 A, 40% de ciclo de trabajo, 0.12 Mol/I de NaCI; d) 20 A, 80% de ciclo detrabajo, 0.12 Mol/I de NaCI; e) 10 A, 40% de ciclo de trabajo, 0.2 Mol/I de NaCI; f) 20 A, 80%de ciclo de trabajo, 0.2 Mol/I de NaCI;
79
4.3.2 Análisis estadístico de ECDM
En la Tabla 4. 4 se muestran los resultados promedio de los experimentos,
las variables de entrada ciclo de trabajo (CT en porcentaje), Corriente de
descarga (I en Amperios), concentración molar (Con en mol/1), razón de material
removido (MRR en mm3/s) y la relación de diámetros de salida y entrada
(0sal/0ent adimensional)
Tabla 4. 4 Resultados de la experimentación del ECDM
No.
Experimento
CT
(%)
1
(A)
Con
(mol/I)MRR
(mm3/s)0sal/0ent
1 40 10 0 0.1282 0.98
2 80 10 0 0.1964 0.96
3 40 20 0 0.2760 0.92
4 80 20 0 0.6427 0.96
5 40 10 0.04 0.0773 0.65
6 80 10 0.04 0.3376 0.72
7 40 20 0.04 0.1285 0.68
8 80 20 0.04 0.6548 0.88
9 40 10 0.12 0.0859 0.51
10 80 10 0.12 0.2633 0.72
11 40 20 0.12 0.1244 0.52
12 80 20 0.12 0.5925 0.84
13 40 10 0.2 0.0882 0.45
14 80 10 0.2 0.2761 0.71
15 40 20 0.2 0.1335 0.41
16 80 20 0.2 0.5076 0.66
En la Figura 4. 26se muestran lasgráficas de los efectos que tiene la variable
del diseño de experimentos con respecto al MRR y a la relación de diámetros.
Como se observa en la Figura 4. 26 (a) la concentración de sal es significante en
el intervalo de 0 a 0.04 mol/I, pero de 0.04 a 0.12 y de 0.12 a 0.2 mol/l no muestra
gran significancia, en cambio la variable de corriente y de ciclo de trabajopresentan una pendiente positiva, siendo más marcada la del ciclo de trabajo.
Esto demuestra que al aumentar la corriente y el ciclo de trabajo se remueve más
cantidad de material, que es consistente con el incremento de la energía
80
suministrada al proceso, como se ha mencionado durante la sección 4.2.2.1
"Análisis estadístico de EDM", incrementando el nivel la corriente de descarga se
incrementa el MRR, ya que por cada chispa producida la cantidad de material
fundido se incrementa, de igual manera con el ciclo de trabajo. El incremento de
la concentración de sal de NaCI genera que el proceso funcione en modo de ECM
ya que el medio de vuelve conductivo generando más cantidad de iones capaces
de disolver la superficie de la pieza de trabajo, como consecuencia deja de
propiciar el salto de chispas.
En la Figura 4. 26 (b) la relación de diámetros se ve afectada por la
concentración de sales con una pendiente negativa, la corriente no representa
una variable significativa para la integridad de la perforación, sin embargo, el ciclo
de trabajo tiene una pendiente positiva, pero no representa gran significancia
para la relación de diámetros. La concentración de sal incrementa la
conductividad eléctrica del medio, esto influye mucho cuando el electrodo no está
recubierto en las paredes y produce el flujo de corriente a través de toda el área
expuesta de la perforación, logrando así la erosión del material mediante el
fenómeno electroquímico, el incremento del diámetro de entrada con respecto al
de salida también depende del tiempo de exposición.
81
(a)
0.04 0.12
Concentración (mol/1)
Corriente de descarga (A)
Ciclo de trabajo (%)
(b)
0.04 0.12 0.2
Concentración (mol/1)
10 20
Corriente de descarga (A)
40 80
Ciclo de trabajo (%)
Figura 4. 26 Gráficas de efectos principales para (a) MRR y (b) 0sal/0ent con losparámetros de concentración, descarga y ciclo de trabajo.
82
CAPITULO 5:
CONCLUSIONES,
RECOMENDACIONES Y TRABAJO A
FUTURO
En este capítulo se presentan las observaciones de los procesos de EDM,
ECM y ECDM a manera de conclusiones, además de recomendaciones para los
trabajos posteriores y líneas de investigación donde se requiere trabajar más a
fondo, ya que este proceso se encuentra en vías de desarrollo a nivel laboratorio.
Proceso EDM
En las perforaciones que corresponden al maquinado con corriente de 35 A
presentan una capa de metal re-solidificado en la entrada de las perforaciones.
Donde se agrupan defectos como agrietamiento, zonas de fusión incompleta,
corrosión, afectación térmica y segregación de elementos químicos (tanto del
electrodo como del medio dieléctrico). Al utilizar niveles de corriente de 15A, las
perforaciones se presentan las mismas condiciones pero en menor medida sin la
capa de metal re-solidificada.
83
Debido a los saltos de chipas se produce una ZAT que varían dependiendo
de las condiciones de maquinado, con niveles de corriente de 15 A se alcanzan
espesores que varían de 14 a 22pm, y con 35 A se alcanzan espesores de 34 a
76um. Adicionalmente, el agrietamiento se ha encontrado tanto en la capa del
metal solidificado y la interface de la capa de metal solidificado y el metal base,
además de la propagación de la grieta en zonas afectadas térmicamente.
Las tasas de remoción promedio del proceso bajo las condiciones
especificadas son: Para una corriente de 15 A la MRR es de 0.52 mm3/s; para
una corriente de 35 A la MRR es de 1.08 mm3/s, mostrando de esa manera que
al aumentar la corriente incrementa la remoción de material.
La relación promedio de diámetros de salida y de entrada en el proceso EDM
son influenciadas por las variables de corriente, de capacitancia, y mayormente
con el ciclo de trabajo, con valores de ciclo de trabajo de 50% la relación es de
0.99, con ciclo de trabajo del 75% la relación disminuye a 0.95, indicando que la
perforación no presenta gran conicidad.
Proceso ECM
Las perforaciones hechas por el proceso ECM presentan un perfil irregular
de forma de cierra especialmente cuando se utilizaba la mezcla de solución de
NaN03 y KBr, todas las entradas de las perforaciones presentan un redondeo y
un incremento de diámetro de entrada con respecto al electrodo y al diámetro de
salida.
Al utilizar soluciones de NaN03 y KBr se detecta disolución de la fase perlita
y cementita de manera preferencial, cuando el material presenta bandeamiento,
y disolución de límite de grano, este fenómeno provoca que granos de ferrita se
desprendan del metal base.
No se presenta zonas de cambio microestructural, es decir no presenta
zonas dañadas térmicamente, pero si presenta corrosión en la superficie de las
perforaciones.
Para reducir el efecto de conicidad de las perforaciones se recomienda
utilizar electrodos revestidos con un medio aislante, contar con una fuente de
poder capaz de suministrar la energía necesaria para concluir las perforaciones,
determinar la solución de sales más adecuada para una aleación en específico
para evitar un perfil irregular y reducir la oxidación.
Proceso ECDM
El proceso no es más rápido que el EDM solo, pero si toma menos tiempo
que el proceso de ECM. Las tasas promedio de remoción de material en el
proceso ECDM son: con una corriente de 10 A la MRR es de 0.18 mm3/s; al
utilizar una corriente de 20 A la MRR es de 0.35 mm3/s.
En el proceso ECDM al aumentar la concentración de sales tiende a trabajar
como ECM haciendo lento el proceso de remoción de material, debido al
incremento de la conductividad del agua.
Las perforaciones presentan un mayor sobrecorte al usar el proceso ECDM,
este efecto se aprecia con los parámetros de concentración y ciclo de trabajo. En
el proceso de ECDM la relación promedio de diámetros de entrada y salida son
de 0.81 con un ciclo de trabajo de 80% y de 0.63 con un ciclo de trabajo de 40%.
Con el incremento de la concentración de sal de NaCI la relación promedio de
diámetros se disminuye: a 0% de NaCI la relación es de 0.96, a 0.04% la relación
es de 0.73,a 0.12% la relación es de 0.65, a 0.2% la relación es de 0.52.
En el proceso de ECDM no presenta de capas de metal re-solidificadas ni
zonas de afectación térmica, además presenta un perfil más regular. Se muestra
que los defectos de la fase EDM son reducidos por el proceso de ECM,
adicionalmente la solución de NaCI no presenta un ataque selectivo a ninguna
de las fases presentes en el material en ninguna de las tres concentraciones
propuestas.
Recomendaciones y trabajos futuros
De acuerdo con la limitada información con la que se cuenta del nuevo
proceso híbrido de maquinado electroquímico con descargas, falta por investigar
varios aspectos que ocurren durante el proceso, como los siguientes:
> Medición más puntual de los granos para descartar una afectación
termina, en la cual se sugieren técnicas como: microscopía de fuerza
atómica (AFM por sus siglas en inglés), nanoindentaciones, medición
del módulo de Young, difracción de electrones por retrodispersión
(EBSD por sus siglas en inglés)
> Tipos de soluciones para una aleación determinada, reducción de la
corrosión debido a la solución empleada.
> Rango de valores de concentración de sales para un efecto híbrido de
EDM y ECM (conductividad eléctrica)
> Tipos de materiales que son susceptibles a maquinar por este proceso
y el acabado superficial (medir la rugosidad)
> Relación e influencia de otros parámetros como: flujo del fluido de
trabajo, presión del fluido del trabajo, frecuencia de las pulsaciones,
etc.
> Desgaste del electrodo, tipos de materiales para electrodos y posibles
recubrimientos aislantes
> Limpieza, control y monitoreo de la conductividad eléctrica del fluido
de trabajo
> Construcción de un modelo matemático del proceso con el fin de
optimizar las variables de ECDM y determinar un rango de valores
donde se lleve a cabo el proceso híbrido
> Escalar y aplicar el proceso ECDM a un nivel industrial capaz de ser
competente con otros procesos de corte
Listado de Figuras
Figura 2. 1 Esquema de las etapas en las que se lleva a cabo la remoción del material en el
proceso EDM; fase de ionización (a, b), fase de ruptura del dieléctrico y formación del
plasma (c, d), fase de expulsión del material (e, f) (9) 10
Figura 2. 2 Esquema de un pulso del EDM, a) Polarización; b) Ruptura del dieléctrico; c)
Formación del canal de plasma; d) Apagado del pulso; e) Desionización del dieléctrico (4)
12
Figura 2. 3 Variación de la interacción de la corriente de descarga en función del tiempo de
encendido, a) MRR y b) TWR (12) 16
Figura 2. 4 Interacción de la corriente de descarga (I) en función del área de contacto (A) contra
TWR (15) 17
Figura 2. 5 Esquema de la sección transversal de las perforaciones (18) 18
Figura 2. 6 Esquema de zonas afectadas porel proceso EDM (11) 19
Figura 2. 7 Imagen EDX (a)delelectrodo base W-Cu y lacapa negra; (b) W; (c) Cu; (d) C; (e)
Fe. (21) 21Figura 2. 8 Representación esquemática de las reacciones dentro del electrolito (5) 24
Figura 2. 9 Imágenes de electrones secundarios de acabados superficiales de una muestra
perforada: a) ranura del maquinado electroquímico b)acercamiento de la micrografía:
Potencial de la pieza de trabajo: -0.4 V; Amplitud del pulso: 8V; Duración del pulso: 100ns;
mezcla del electrolito: nitrato de sodio al 0.5 My ácido sulfúrico al 0.2 M (31) 27
Figura 2. 10 Efectos de la aplicación del voltaje en el espesor de metal removido en función de
las velocidades de avance de la herramienta. (23) 29
Figura 2. 11 Esquema de las etapas del proceso híbrido: a) Comienzo del proceso; b)
Descargas (fase EDM); c) Disolución (fase ECM); d) Avance del electrodo. (33) 31
Figura 2. 12 Micrografías de la superficie maquinadaa 120V a diferentes velocidades de avance
y capacitancia: (a) 4700pF, 5 um/s; (b) 4700pF, 0.2 pm/s; (c)1000pF, 5 pm/s; (d) 1000pF,
0.2 pm/s (33) 32Figura 2. 13 Esquema del mecanismo de modificación de la superficie; a) superficie depués del
maquinado EDM; b) Disolución del Co en la interface de la capa de metal solidificado y el
metal base; c) Separación de la capa de metal solidificado en forma de virutas (35) 33
Figura 2. 14 Micrografías porSEM a) superficie maquinada por EDM; b) Propagación de grieta
al metal base; c) Superficie maquinada por SIME; d) Vista superior de superficie
maquinada porSIME libre de grietas (35) 34
Figura 2. 15 Diagrama del circuito de EDM y SIME (35) 35
\J I
Figura 3. 1 Diagrama de la metodología propuesta 47
Figura 3. 2 Diagrama de perforaciones por EDM 48
Figura 3. 3 Diagrama yfotografía de la placa de acero y las perforaciones realizadas 49
Figura 3. 4 Diagrama del la celdade ECM 50
Figura 3. 5 Esquema de los cortesde placas para proceso ECDM 51
Figura 4. 1 Micrografías del acero HSLA SEA 945X, (a) bandeamiento de la microestructura; (b)
fases de ferrita (F) colorclaro; perlita (P) coloroscuro, martensita (M) 54
Figura 4. 2 Micrografías de SEM de las perforaciones por EDM 56
Figura 4. 3 Micrografía SEM y análisis EDX de la perforación 10. Segregación de elementos de
Cu, Mn y Si en la parte superior de la perforación 57
Figura 4. 4 Micrografía SEM y análisis EDX de la perforación 8 de la capa de metal fundido.. 57
Figura 4. 5 Micrografía SEM y análisis EDX de la perforación 10: 35 A, 50% ciclo de trabajo,
0.02 uF Capacitancia a) Metal fundido en la superficie; b) Cu; c) Mn, d) Si, e) 0 58
Figura 4. 6 Micrografía SEM y análisis EDX de la perforación 9: 15 A, 50% ciclo de trabajo,
0.02pF Capacitancia a) Sin metal fundido en la superficie; b) Cu; c) Mn, d) Si, e) 0 58
Figura 4. 7 Micrografía óptica de las perforaciones 1 al 4. Propagación de microgrietas al metal
base en el cuerpo de la perforación 4 59
Figura 4. 8 Micrografías de la perforación 15 mostrando las zonas de interés de cambios en la
superficiede maquinado; zona 1, 2 y 5 metal re-solidificado, zona 3 corrosión en
superficie, zona 4 granode martencita cortado 60
Figura 4. 9 Micrografías de la perforación 16 mostrando las zonas de interés de cambios en la
superficie de maquinado; zona 1 cambio de fase en la franja adyacente a la orilla, zona 2
corrosión en superficie, zona 3 grano de martencita cortado con afectación térmica, zona 4
capa de metal re-solidificado 61
Figura 4. 10 Micrografía óptica de lavista superior de laentradade las perforaciones 1 y2.... 62
Figura 4. 11 Imágenes de electrones secundarios de tres zonas de la orilla del acero HSLA
perforado porel proceso EDM. Zonas: a) Superior; b) intermedia (O: óxido de Fe, F: ferrita
y P: Perlita) ye) Final 63
Figura 4. 12 Micrografías de electrones secundarios de la orilla de la: a) Perforación 1 con 15A,
50% de ciclo de trabajo, 0.02pF; b) Perforación 2 con 35A, 50% de ciclo de trabajo,
0.02pF; c) Perforación 3 con 15A, 70% de ciclo de trabajo, 0.02pF; d) Perforación 4 con
35A, 70% de ciclo de trabajo, 0.02 pF 64
Figura 4. 13 Imágenes de electrones secundarios de la martensitaen la zona final de la
perforación de un acero HSLA con EDM y la naturaleza química detectada por EDX 65
Figura 4. 14 Gráficas de efectos principales y de interacción para MRR 67
Figura 4. 15 Gráficas de efectos principales y de interacción para la relación 0sai/0Ent 69
88
Figura 4. 16 Fotografía de las perforaciones 1-7 en la placa HSLA con proceso ECM 70
Figura 4. 17 Imágenes de microscopía óptica del perfil de las perforaciones 1 (arriba) y de la
perforación 2 (abajo) por el proceso ECM 71
Figura 4. 18 Micrografía óptica del perfil de la perforación 5 por ECM, Se observa corrosión en
el borde (1, 2, 4, 5) y dilución de fases no controlada (2, 3, 5, 6) 72
Figura 4. 19 Micrografía óptica del perfil de la perforación 6 de ECM, zona de corrosión en el
borde (1, 3, 4, 5, 6) y dilución de fases de perlita (3, 6, 7) 73
Figura 4. 20 Micrografía óptica del perfil de la perforación 11 de ECM, zona de corrosión en el
borde (1, 3, 4, 5,) y dilución de fases de perlita (3, 5); granos sin alteración (2, 2a) 73
Figura 4. 21 Imagen de electrones retrodispersados del deterioro intergranular y precipitación
de carburos de cementita expuestos 74
Figura 4. 22 Imágenes de electrones retrodispersados de las perforación 11 (a, b) y 8 (c, d) por
el proceso ECM, (a) desprendimientode un grano de ferrita; (b) disolución de la cementita
en el metal base, (c) disolución irregular de la superficie; (d) disolución de la cementita en
el interior del metal base 75
Figura 4. 23 Macrografías del perfil de las perforaciones por ECDM en condiciones de 10A, 40%
ciclo de trabajo a) agua desionizada; b) 0.04 mol; c) 0.12 mol; d) 0.20 mol y con
condiciones de 20A, 80% ciclo de trabajo e) agua desionizada; f) 0.04 mol; g) 0.12 mol; h)
0.20 mol 77
Figura 4. 24 Imagen de electrones secundarios del perfil de las perforaciones con agua
desionisada y (a) 10 A de corriente de descarga, 40% ciclo de trabajo (b) 20 A de corriente
de descarga, 80% ciclo de trabajo 78
Figura 4. 25 Imágenes de electrones electrodispersados del perfil de las perforaciones: a) 10 A,
40% de ciclo de trabajo, 0.04 Mol/I de NaCI; b) 20 A, 80% de ciclo de trabajo, 0.04 Mol/I de
NaCI; c) 10 A, 40% de ciclo de trabajo, 0.12 Mol/I de NaCI; d) 20 A, 80% de ciclo de
trabajo, 0.12 Mol/I de NaCI; e) 10 A, 40% de ciclo de trabajo, 0.2 Mol/I de NaCI; f) 20 A,
80% de ciclo de trabajo, 0.2 Mol/I de NaCI; 79
Figura 4. 26 Gráficas de efectos principales para (a) MRR y (b) 0sal/0ent con los parámetros
de concentración, descarga y ciclo de trabajo 82
Listado de Tablas
1 *?Tabla 2. 1 Relación de los parámetros deentrada ysalidaTabla 2. 2Propiedades mecánicas de subproductos de los aceros HSLA (42) 37Tabla 2. 3Clasificación de aceros por grado, propiedades mecánicas ysoldabilidad (42) 38
Tabla 3 IParámetros yniveles del diseño experimental de EDM 4445Tabla3. 2 Diseño de experimentos del EDM
Tabla 3. 3 Parámetros y niveles del experimento del ECMTabla 3. 4 Parámetros yniveles de la experimentación ECDM
54Tabla 4 1 Composición química del acero HSLA• , 66Tabla 4. 2 Resultados del diseno experimental
Tabla 4 3Coeficientes de regresión el diseño experimental 6780Tabla 4. 4 Resultados de la experimentación del ECDM
•
.
' :
90
•
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RESUMEN AUTOBIOGRÁFICO
Autor:
Lugar de Nacimiento:
Fecha de Nacimiento:
Padre:
Madre:
Grado a obtener:
Tesis:
Títulos Obtenidos:
Ingeniero Mecánico:
Luis Mario Zúñiga Ortiz
Gómez Palacio, Durango. México
Mayo, 5 1989
Carlos Mario Zúñiga Blancarte
Ma. Concepción Ortiz Bocanegra
Maestría
"Estudio del efecto de la perforación de
aceros por corte híbrido para la unión de
largueros HSLA"
Ingeniero Mecánico, Especialista en Tecnología de la
Soldadura Industrial
Instituto Tecnológico de Durango. Durango. Dgo. México.
2007-2012.
Especialista en Tecnología de Corporación Mexicana de Investigación en Materiales.
la Soldadura Industrial: Saltillo. Coah. México. 2012 -2013.
Publicaciones: "Influence of drilling parameters by EDM on the HSLA steelmicrostructure". En XXIV International Materials Research
Congress, 2015
"Influence of NaN03 and KBr solutions on drilling in HSLA
steel by Electrochemical Machining process". En Welding,
Industrial Engineering &Manufacturing Congress, 2015
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