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B. Del Río López, de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros industriales de la Universidad Politécnica deMadrid. [email protected]; y A. García Diez [email protected]; A. Varela Lafuente [email protected]; J. L.Mier Buenhombre [email protected]; F. Barbadillo Jove [email protected]; y [email protected], de la EscuelaPolitécnica Superior de la Universidade da Coruña

29/02/2016

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METALMECÁNICA

Los aceros austeníticos de bajo manganeso con molibdeno podían cubrir el vacío existenteentre los aceros perlíticos y los martensíticos

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Comportamiento frente al desgaste abrasivo deaceros tipo Hadfield de contenido medio enmanganeso

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En el presente trabajo se ha realizado una propuesta alternativa a los materiales que tradicionalmente seemplean en la fabricación de las cuñas de los revestimientos de los molinos de carbón.

Para este trabajo, elaborado para desarrollar una alternativa a los materiales que habitualmente se emplean en lafabricación de las cuñas de los revestimientos de los molinos de carbón, se han diseñado dos nuevas composiciones—ambos aceros austeníticos con un contenido medio en manganeso— y se ha evaluado su estabilidadmicrostructural frente a la temperatura y su dureza tras someterlas a distintos tratamientos térmicos. Las doscoladas propuestas se sometieron a tratamiento térmico de hipertemple al aire y cada una de ellas fue sometida arecocidos entre 100 y 900 °C. De cada una de las muestras obtenidas de esta forma se realizó un análisismetalográfico para determinar su estabilidad frente a la temperatura y se midió la dureza en la escala Brinell de lasmismas. Posteriormente se fabricaron cuñas con las dos aleaciones alternativas y con el material de referencia y seinstalaron en tres tipos de molinos diferentes, procediéndose a determinar la pérdida de peso experimentada porlas mismas después de transcurridos 25 meses y en un momento intermedio de este periodo.

1. Introducción

Es bien conocida la importancia que tienen las aleaciones resistentes al desgaste en la industria, sean cuales seanlas solicitaciones puestas en juego: abrasión, erosión, golpe o choque, tensión mecánica, temperatura, etc.

Se han desarrollado numerosas aleaciones de diferentes bases para dar respuesta técnica y económica a lasvariadas problemáticas planteadas y, sin duda, las aleaciones férreas son en la mayoría de las ocasiones la soluciónmás idónea tanto por el bajo precio que presentan, como por su buen comportamiento, sin olvidar el gran abanicode aleaciones comerciales existentes, su facilidad de aprovisionamiento y la diversidad de morfologías posibles.

Entre estas aleaciones férreas, los aceros austeníticos al manganeso, también conocidos como aceros Hadfield, sonunas de las más empleadas en los trabajos de desgaste bajo condiciones de golpe y choque a baja temperatura [1-6]. Sin embargo, cuando se eleva la temperatura de trabajo por encima de los 100 ⁰C, los aceros Hadfield sometidosa esas mismas condiciones sufren un desgaste acelerado debido a la precipitación de carburos y la consiguientepérdida de capacidad de endurecimiento. En estas situaciones estos aceros son sustituidos tradicionalmente poraceros perlíticos o aceros bonificados de baja o media aleación.

Los aceros austeníticos de bajo manganeso con molibdeno podían cubrir el vacío existente entre los acerosperlíticos y los martensíticos con ventajas evidentes sobre ambos, siendo muy interesante el desarrollo de estasaleaciones para ciertas aplicaciones en las que ni el clásico acero Hadfield de 14% Mn, ni los aceros perlíticos o losmartensíticos, ofrecían respuesta satisfactoria, y más cuando se trataba de servicio a temperaturas entre los 100 ylos 400 °C con solicitaciones de choque y abrasión [7, 8]. En dichas condiciones los aceros perlíticos sufren desgastesacelerados y los aceros martensíticos se agrietan inutilizándose.

Un ejemplo interesante de aplicación de este tipo de aleaciones es el de las cuñas empleadas en los molinos debolas utilizadas en las centrales térmicas convencionales de carbón. La misión de estas cuñas es fundamental en lamolienda del carbón y, por tanto, en la granulometría alcanzada y el rendimiento de los quemadores. Estas cuñasfuncionan en condiciones de golpe y abrasión, pero al tiempo deben presentar una cierta tenacidad, por un ladopara evitar el agrietamiento en servicio y por otro para impedir su rotura en el montaje, dado los pares de aprieteutilizados, por lo que materiales muy duros, con dureza superior a los 400HB, resultan inadecuados y los de durezasmenores que 300HB sufren desgastes inadmisibles.

La temperatura del trabajo en el molino es otro factor a considerar, suele oscilar según la instalación entre los 80 ylos 150 °C. Dado que la campaña del molino suele ser del orden de los dos años, no es despreciable elablandamiento de los aceros bonificados de construcción, o el de los aceros de herramientas templados yrevenidos, debido a la equivalencia entre tiempo y temperatura (Larsson – Miller).

En el presente trabajo se evaluarán distintas composiciones de aceros austeníticos de medio manganeso para suempleo en condiciones de desgaste con golpe a dichas temperaturas y se ensayarán en molinos de carbón paraestudiar su comportamiento.

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2. Trabajo experimental

2.1. Coladas

Se realizaron 10 coladas con composiciones variables de carbono, manganeso, cromo, molibdeno y cobre. Lacomposición química de cada una de ellas se basa el conocimiento previo de los elementos de aleación sobre losaceros austeníticos al manganeso y los resultados obtenidos en las coladas anteriores.

La fusión y colada en los moldes se realizó, en todos los casos, mediante horno de inducción de media frecuencia(3000 Hz) con 50 kg de capacidad en acero de crisol. Dada la alta basicidad, tanto de la escoria como del caldo, delos aceros altos en manganeso y con objeto de reducir o eliminar la interacción caldo-refractario horno o cuchara, ycaldo-arena molde, se empleó un refractario neutro tanto para el revestimiento del horno como de la cuchara decolada.

2.2. Tratamientos térmicos

Con objeto de estudiar la estabilidad de la austenita de esta familia de aceros por calentamientos variables entre los100° y los 900°C, se efectuó un barrido de tratamientos térmicos entre dichas temperaturas, decaladas 50°C, de 2hde duración para cada una de las 10 coladas. Este tratamiento se efectuó después de realizar, en todos los casos, unhipertemple al aire desde 1.100°C con 2h de permanencia según el esquema de la figura 1.

Estas temperaturas son muy superiores a las propuestas para el servicio de estos materiales, pero dado que eltiempo de permanencia es de dos horas, suplimos con el mencionado incremento de temperaturas el efecto quetiempos mucho más largos tendrían sobre la descomposición de la austenita.

Figura 1: Tratamiento térmico para la evaluación de la estabilidad de la austenita.

Se ha comprobado en este trabajo que con una composición química debidamente balanceada el enfriamiento alaire es suficiente para evitar la precipitación, hasta para espesores del orden de los 100-150 mm. Un acero Hadfieldrequeriría con dicho espesor el enfriamiento en agua, es decir, esta familia de aceros es menos sensible al espesorque el acero Hadfield típico.

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El tiempo de 2 horas es también suficiente para lograr una solubilización correcta, siendo necesarios tiempos muysuperiores para la disolución total, pero estos tiempos no tendrían aplicación industrial.

2.3. Análisis metalográfico y toma de durezas

Las probetas para estudios metalográfico se obtuvieron, en todos los casos, de los canales de alimentación internosdel molde. El diámetro de estos canales, 15 mm, permitía el encapsulamiento de las probetas tras corte conrefrigeración adecuada en la tronzadora metalográfica.

Tras lijado y pulido manual, se atacaron con nital-3 a temperatura ambiente como reactivo. Los tiempos de ataqueempleados fueron cortos para evitar el rápido sobreataque de la austenita manganosa, lo que conduce acoloraciones excesivas de la matriz en perjuicio de la observación del micro constituyente disperso.

El estudio metalográfico de cada una de las 10 coladas en los distintos estados de tratamiento se completó con lamedida de la dureza. Se tomaron cinco medidas de dureza brinell con bola de 10 mm y 3.000 kg.

La toma de durezas en estos aceros es bastante importante ya que nos permite estimar indirectamente de maneracualitativa la descomposición de la austenita en otros constituyentes. Esta austenita es con mucho el constituyentemás blando de estos aceros y, por tanto, cualquier incremento significativo de dureza por encima de los 220-250 HBen ausencia de endurecimiento por deformación se puede interpretar como algún tipo de descomposición de laaustenita.

2.4. Pruebas en servicio

Con objeto de valorar cuantitativamente la resistencia al desgaste de estas aleaciones se decidió, contando con lacolaboración de una empresa productora de electricidad, instalar cuñas fabricadas con dos aleaciones de las diezestudiadas en un molino de bolas para carbón. Estas dos aleaciones se juzgarán como las más convenientes enfunción de los estudios previos.

Se fabricaron cuñas de morfología idéntica a las originales del molino junto a cuñas convencionales fabricadas conel material comercial usual para esta aplicación. Todas las cuñas, de uno y otro material, se encontrabandebidamente marcadas con objeto de hacer el estudio individual.

El número total de cuñas montadas fueron de 10 de cada una de las coladas seleccionadas, y el número de cuñasconvencionales, utilizadas como referencia fue igualmente de 10.

El tiempo en servicio fue de 25 meses realizándose un control intermedio de la pérdida de peso sufrida,aprovechando paradas cortas en el molino motivadas por incidencias en el servicio.

Al cabo de los 25 meses se desmontaron todas las cuñas, experimentales y de referencia, para efectuar el estudioindividual de todas ellas, tanto en cuanto a la pérdida de peso como a los perfiles de desgaste obtenidos medianteinspección visual para comprobar que no existiese deformación plástica macroscópica que impidiese elfuncionamiento de las cuñas sin pérdida de masa.

3. Resultados y discusión

3.1. Análisis químico

Las composiciones química de las diez coladas propuestas inicialmete se detallan en la tabla 1. Todas lascomposiciones obtuvieron valores de fósforo y azufre inferiores a 0,025%.

Colada C Mn Si Cu Mo Cr

1 1,5 8 0,5 2 2 1

2 1,3 6 0,5 2 1,5 2

3 1,3 6 0,65 3 1,1 0

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4 1 5 0,5 3 1,5 0

5 1,5 4 0,5 3 2 0

6 1,5 6 0,2 3 2 0

7 1,7 7 0,5 2 2 1

8 1,7 6 0,3 2 1,5 1

9 1,8 8 0,5 2 2 1,5

10 1,6 6,5 0,5 2 1,75 1,5

Tabla 1: Composiciones químicas.

3.2. Durezas

Las medidas de dureza se han representado en la gráfica que se muestra en la figura 2 con la temperatura derecocido, correspondiendo el cero para la muestra hipertemplada y enfriada en aire sin recocido posterior.

En la gráfica de la figura 3 se han eliminado aquellas coladas que tienen un comportamiento distinto debido a laformación masiva de constituyentes a partir de la austenita, con un comportamiento más similar al de un acero deherramientas indeformable que a un austenítico al manganeso, para poder observar más claramente elcomportamiento general de este último tipo de aceros.

Figura 2: Durezas de cada colada tras tratamiento térmico.

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Figura 3: Durezas de cada colada tras tratamiento térmico de las coladas austeníticas.

Se observa en todas las aleaciones un ligero endurecimiento en el tratamiento a 100-150 °C, y uno más acusado apartir de los 550 °C excepto para las coladas 1 y 2, que mantienen durezas inferiores a los 300 HB en esta zona. Esteendurecimiento es debido a la formación de nuevos constituyentes y se estudiará en el análisis metalográfico de lasprobetas.

El endurecimiento generalizado de baja temperatura puede ser explicado por los mismos mecanismos que tienenlugar en el revenido de aceros de gran resistencia, una precipitación fina de carburos que, al calentarse atemperatura superior van a coalescer, desapareciendo el efecto de los mismos.

De igual manera se observa que las coladas 7 y 9 tienen un comportamiento bastante próximo a las 1 y 2, pero condurezas ligeramente superiores. Además se puede observar que son las aleaciones 1 y 2 las que menores valores dedureza tienen en casi cualquier estado.

3.3. Análisis metalográfico

Se realizaron más de 500 micrografías que por razones obvias de espacio no podemos reproducir en este trabajo. Semuestran algunos ejemplos de las realizadas en la figura 4. De la observación de las metalografías de las probetastras el tratamiento se justifican estos aumentos de dureza por la transformación de la austenita en otrosconstituyentes.

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Figura 4: Ejemplos de micrografías obtenidas por tratamiento térmico.

La primera clasificación que podemos hacer es la de los aceros es en función de su estructura hipertemplada.Mientras las coladas 4 y 6 presentan una gran cantidad de martensita y la 5 presenta gran cantidad de perlitas ybainitas. Esto descalifica estas aleaciones para el trabajo.

Las otras coladas presentan una gran cantidad de austenita retenida, con algunos casos de carburos aisladosprecipitados en posiciones interdendríticas y algunas islas de otros constituyentes en el interior de las dendritas,aceptables en todos los casos.

El endurecimiento que sucede en todos los casos entre 100 y 200 °C puede explicarse por el mismo efecto quesucede en el revenido de los aceros a las mismas temperaturas, pero este no es visible en microscopia óptica. Comotampoco se aprecian cambios entre las micrografías a estas temperaturas la observación apoya esta teoría.

Con temperaturas superiores los aceros menos estables comienzan a dar bainitas por descomposición de laaustenita metaestable, inferiores a bajas temperaturas y superiores a temperaturas medias. La cantidad de bainitases escasa y su distribución en islas como constituyente disperso, por lo que su influencia salvo en caso de la colada10 sobre la dureza es baja.

Las mayores trasformaciones en casi todas las coladas las composiciones se da entre 550 y 900 °C. Tras eltratamiento a estas temperaturas aparecen constituyentes laminares y carburos precipitados en la estructura. Estose traduce en el incremento de dureza que muestran las gráficas del apartado anterior. Incluso en algunas apareceun endurecimiento sin formación de nuevos constituyentes, lo que puede ser posible por mecanismos semejantes ala dureza secundaria de los aceros de herramientas de alta aleación.

También aparece martensita nueva en algunas de las coladas. A estas temperaturas la precipitación de carburos y ladifusión inversa pueden empobrecer la austenita en carbono y elementos de aleación ‘acondicionándola’. Esteefecto es similar al que ocurre en aceros de herramientas con austenitas muy estables durante el primer revenido.

Esta austenita acondicionada produce durante el enfriamiento martensita que elevan su dureza y fragilizan el acero.Se observa que este efecto es máximo en torno a los 600 -750 °C. A temperaturas más bajas la difusión es muchomás lenta y a temperaturas superiores la tendencia es ya a la redisolución de los posibles precipitados y la

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homogeneización de la austenita. El mayor efecto se da en la colada 5, la de menor contenido en manganeso.

A partir de los mencionados 750 °C vuelven a aparecer lagunas de austenita retenida en los antiguos espaciosinterdendríticos, más abundantes según aumenta la temperatura tal y como corresponde a la reentrada en la zonatrifásica de austenita, ferrita y carburos.

3.4. Selección de probetas para el ensayo en servicio

Para un buen comportamiento en servicio en un molino de carbón, un acero austenítico al manganeso debe teneren primer lugar una estructura fundamentalmente austenítica a la temperatura del molino durante todo el tiempode servicio.

Además de para asegurar la tenacidad de las cuñas y evitar que se quiebren de manera frágil por el impacto de lasbolas, la estructura austenítica es necesaria para asegurar el endurecimiento durante el trabajo típico de estasaleaciones.

Para asegurar la austenita durante tiempos largos en el molino el acero ha de mantener la dureza baja atemperaturas superiores a las de trabajo durante tiempo corto, estimado en dos horas de tratamiento.

Para mantener la tenacidad de las cuñas en el molino ha de asegurarse también que no existe peligro de que unmicroconstituyente de carácter frágil aparezca en las estructura del material y que por crecimiento masivo puedadisminuir excesivamente la tenacidad del mismo.

Las aleaciones 1 y 2 con las que de, entre las analizadas en el presente trabajo, mejor se adecuan a los requisitosanteriores.

3.5. Ensayos en servicio

Se ensayaron las dos coladas seleccionadas junto con cuñas del material empleado habitualmente en los molinos(identificado como colada 0) en tres molinos obteniéndose los valores de desgaste de la tabla 2.

Colada

Velocidad de desgaste (mg/h)

Col 0

198,38 219,.13 182,19 211,03 241,77 194,02 203,07 170,14 244,81 299,72

202,87 217,23 209,16 251,63 189,17 208,94 179,35 161,50 168,29 187,47

Col 1

192,81 157,89 172,06 207,49 197,04 208,01 176,73 184,14 216,38 211,77

248,43 226,84 228,50 262,07 244,28 276,03 221,52 278,30 201,65 209,66

Col 2

126,01 112,35 189,27 137,65 133,64 166,30 157,24 162,73 172,58 180,59

172,62 175,82 252,11 227,55 187,73 220,80 254,10 192,16 172,80 172,55

Tabla 2: Velocidades desgaste en servicio (mg/h).

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Para observar si existe alguna diferencia estadísticamente significativa entre las velocidades de de desgaste de lastres aleaciones ensayadas se realizó un contraste de hipótesis dos a dos, con una hipótesis nula de igualdad entrelas medias y una alternativa de medias distintas. A partir de estos se procede a obtener un intervalo de confianzapara la diferencia de medias, que se distribuye según una t de Student (test de Welch).

Como las varianzas son distintas se procede a estimar la varianza conjunta como la suma de las otras dos y losgrados de libertad aproximados con la ecuación de Welch–Satterthwaite [9].

Ecuación de Welch–Satterthwaite.

Empleando estos grados de libertad y un nivel de significación α= 0,05 se obtiene el valor de la t y se construye elintervalo de confianza para la diferencia de las medias (test de Welch).

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Valor de la t.

Con lo que obtenemos los contrastes de hipótesis que se muestran en las tablas 3 a 5.

Colada 0 Colada 1

Med 206,99 216,58

Var 1.094,03 1.101,74

N 20 20

EE (x) 7,4 7,42

EE (x1-x2) 10,48

GI 38

T (0,975, gl) 2,34

-9,59 +/- 24,48

Tabla 3: Contraste de igualdad de medias entre las coladas 0 y 1.

Colada 0 Colada 2

Med 206,99 178,33

Var 1.094,03 1.448,73

N 20 20

EE (x) 7,4 8.51

EE (x1-x2) 11,28

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GI 37,27

T (0,975, gl) 2,34

28,66 +/- 26,34

Tabla 4: Contraste de igualdad de medias entre las coladas 0 y 2.

Colada 1 Colada 2

Med 216,58 178,33

Var 1.101,74 1.448,73

N 20 20

EE (x) 7,42 8,51

EE (x1-x2) 11,29

GI 37,31

T (0,975, gl) 2,34

38,22 +/- 26,38

Tabla 5: Contraste de igualdad de medias entre las coladas 1 y 2.

De los intervalos de confianza generados podemos observar que mientras las coladas 0 y 1 no tienen uncomportamiento significativamente distinto, la colada 2 muestra una velocidad de desgaste inferior a la de lascoladas 0 y 1.

4. Conclusiones

Se han realizado diez coladas experimentales de aceros austeníticos al manganeso con carbonos, cobres ymanganesos variables, y finalmente aleados con cromo o molibdeno. Estas diez coladas se han ensayado atemperaturas variables entre 100 y 900 °C y se han estudiado la evolución de su dureza y microsestructura con elobjetivo de determinar las dos composiciones más adecuadas para los ensayos en servicio.

Atendiendo a los ensayos previos de dureza y al análisis metalográfico se ha deteminado que las dos coladas másadecuadas para su estudio en condiciones reales de servicio son la 1 y 2, puesto que presentan un menorendurecimiento como consecuencia de las altas temperaturas y una mayor estabilidad estructural.

Se han ensayado estas dos composiciones junto con una tercera de referencia durante 25 meses en condicionesreales de trabajo, determinándose la pérdida de masa y evaluando la velocidad de desgaste que experimentan.

Se han analizado los datos de velocidad de desgaste y se ha determinado por contraste de hipótesis que una deellas, la colada 2, es significativamente superior a la referencia durante el conjunto del ensayo, mientras que lacolada 1 no es significativamente distinta de la referencia.

Se ha determinado que la composición propuesta para la colada 1 es una alternativa perfectamente viable para elmaterial de referencia empleado en los revestimeintos de los mollinos de carbón.

5. Referencias

[1] J.E. Fernández, R. Vijande, R. Tucho, J. Rodríguez. Effect of cold deformation on the abrasive resistance of coatingswith applications in the mining industry, Wear, 250 (2001), 28-31.

[2] T.A. El-Bitar, E.M. El-Banna. Improvement of austenitic Hadfield Mn-steel properties by thermomechanicalprocessing, Canadian Metallurgical Quarterly, 39 (2000), 361-368.

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AIC lanza la cuarta edición de su programaavanzado Project Leader

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AIC-Automotive Intelligence Center lanza la cuarta edición de su Programa Avanzado Project Leader con elobjetivo de proporcionar a los profesionales del sector automoción las herramientas y habilidades necesarias paradirigir proyectos en un sector cada vez más dinámico e innovador.

A diferencia de otros años, en esta edición se presenta un formato modular, que permitirá a los asistentesconfeccionar el programa que mejor se adecúe a sus necesidades. Además, como gran novedad, el programaincluirá la posibilidad de certificarse como Project Manager Professional (PMP). El primero de estos móduloscomenzará el día 18 de noviembre en las instalaciones de Amorebieta-Etxano.

A lo largo de su duración, que será impartido por empresas de prestigio tales como Renault Consulting, MondragonUnibertsitatea, Tknika o el propio AIC, se combinarán clases presenciales en aula con visitas a empresas, intentandoen todo momento que la dinámica sea lo más práctica posible.

AIC es una fundación privada cuyo objetivo es crear valor para el sector de automoción. En su estructura sepresentan actividades de conocimiento, formación, tecnología y de desarrollo industrial. En sus instalacionestrabajan 30 organizaciones y más de 700 personas.

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