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CORPORACIÓN MEXICANA DE INVESTIGACIÓN EN MATERIALES
DIVISIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO
ESTUDIO DEL DESGASTE EN PLACAS DE ACERO HSLA UTILIZADAS EN LA FABRICACIÓN DE COMPONENTES PARA MAQUINARIA PESADA
MEDIANTE EL PROCESO DE SOLDADURA GMAW
POR
ZAYRA LORETTA LÓPEZ BUSTOS
TESIS
EN OPCIÓN COMO MAESTRA EN TECNOLOGÍA DE LA SOLDADURA INDUSTRIAL
SALTILLO, COAHUILA DICIEMBRE 2014
CORPORACIÓN MEXICANA DE INVESTIGACIÓN EN MATERIALES
DIVISIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO
ESTUDIO DEL DESGASTE EN PLACAS DE ACERO HSLA UTILIZADAS EN LA FABRICACIÓN DE COMPONENTES PARA MAQUINARIA PESADA
MEDIANTE EL PROCESO DE SOLDADURA GMAW
POR
ZAYRA LORETTA LÓPEZ BUSTOS
TESIS
EN OPCIÓN COMO MAESTRA EN TECNOLOGÍA DE LA SOLDADURA INDUSTRIAL
SALTILLO, COAHUILA DICIEMBRE 2014
AGRADECIMIENTOS
A CONACYT: Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, por el apoyo económico otorgado
para realizar mis estudios de posgrado.
A COMIMSA: Corporación Mexicana de Investigación en Materiales, por la oportunidad
permitida para realizar mis estudios de posgrado y por la formación de alto nivel
recibida durante estos años.
A FIME:
Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (UANL), por las atenciones
prestadas en el uso de laboratorios para la experimentación de este trabajo en
especial al Dr. Marco Antonio L. Hernández Rodríguez.
A mis asesores:
Por los conocimientos compartidos, en especial al Dr. Felipe de Jesús García
Vázquez por sus asesorías, tiempo y dedicación hacia este proyecto. A la Dra.
Gladys Yerania Pérez Medina, al Dr. Victor Hugo López Cortez y al Dr.
Fernando Martínez Diez por las aportaciones realizadas.
DEDICATORIAS
Para ti Alejandro, sin duda mi mayor apoyo.
ÍNDICE SÍNTESIS ........................................................................................................... 1
CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN Y ANTECEDENTES
1.1 Antecedentes ....................................................................................... 3
1.2 Objetivos .............................................................................................. 5
1.2.1 Objetivo general ............................................................................ 5
1.2.2 Objetivos específicos ................................................................... 5
1.3 Justificación ......................................................................................... 6
1.4 Planteamiento del problema ............................................................... 6
1.5 Definición de hipótesis ........................................................................ 7
1.6 Límites de estudio ............................................................................... 7
1.7 Resultados y entregables esperados ................................................. 8
CAPÍTULO 2 ESTADO DEL ARTE
2.1 Tribología ................................................................................................. 9
2.2 Tópicos fundamentales de la tribología .............................................. 10
2.2.1 Fricción ............................................................................................ 10
2.2.2 Desgaste .......................................................................................... 12
2.3 Superficie de contacto .......................................................................... 20
2.4 Aceros alta resistencia baja aleación (HSLA) ..................................... 23
2.5 Tratamientos térmicos en aleaciones resistentes al desgaste .......... 25
2.7 Proceso de soldadura GMAW ................................................................. 30
2.7.1 Principios de operación del proceso GMAW ................................ 31
2.7.2 Ventajas y limitaciones del proceso GMAW ................................... 32
2.7.3 Variables del proceso GMAW ........................................................... 33
2.8 Juntas de aceros HSLA ......................................................................... 39
2.8.1 Efectos de parámetros del proceso de soldadura ...................... 42
2.8.2 Soldaduras multipasadas ............................................................... 44
2.9 Predicción de la microestructura después de la soldadura .............. 47
2.10 Pruebas de desgaste ........................................................................... 47
CAPÍTULO 3 METODOLOGÍA
3.1 Descripción de la metodología propuesta ........................................... 51
3.1.1 Proceso de soldadura ..................................................................... 52
3.1.2 Ensayo de Desgaste Pin on Disk ................................................... 53
CAPÍTULO 4 DESARROLLO EXPERIMENTAL
4.1 Selección del material ........................................................................... 56
4.2 Unión de aceros HSLA .......................................................................... 59
4.2.1 Soladura ........................................................................................... 59
4.2.2 Gases de protección ....................................................................... 59
4.2.3 Parámetros ....................................................................................... 60
4.4 Extracción de muestras ............................................................................ 61
4.4 Desgaste en los aceros HSLA .............................................................. 62
4.4.1 Ensayos tribológicos ...................................................................... 62
4.5 Caracterización metalográfica de las muestras .................................. 63
4.6 Mediciones de dureza en las muestras ................................................ 63
CAPÍTULO 5 DISCUSIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS
5.1 Resultados de la caracterización metalográfica ................................. 65
5.2 Resultados de ensayos de desgaste “pin on disk” ............................ 72
5.3 Resultados del análisis superficial de la huella de desgaste............. 74
5.4 Resultados de ensayos de dureza ....................................................... 77
CAPÍTULO 6 CONCLUSIONES ............................................................................................. 83
RECOMENDACIONES ..................................................................................... 85
PARA TRABAJOS FUTUROS ......................................................................... 85
LISTADO DE TABLAS, FIGURAS y ECUACIONES ...................................... 86
BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................ 89
1
SÍNTESIS
En la actualidad la industria de maquinaria pesada se ha interesado en el
estudio de la resistencia de los materiales para alargar la vida útil de sus
componentes, es por eso que se han realizado investigaciones acerca del
comportamiento del desgate y los mecanismos que lo generan. El interés se ha
enfocado a analizar el desgate en los componentes soldados ya que la
microestructura en las zonas de unión se modifican por los ciclos térmicos que
se generan al ser soldados, afectando las propiedades del material y
provocando mayor susceptibilidad al desgaste en las zonas de la unión. De los
diversos modos de degradación de una superficie en particular el tipo de
desgaste abrasivo, es uno de los grandes problemas que se presentan en
piezas que trabajan en contacto con minerales.
Con el fin de observar y estudiar este fenómeno, se ha realizado una
experimentación basada en los parámetros regularmente usados en la industria
de maquinaria pesada para soldar aceros de alta resistencia y baja aleación
(HSLA), este acero es comúnmente usado en la industria minera por su buena
resistencia al desgaste.
El fenómeno de desgaste puede producirse por una variedad de condiciones
de trabajo. Provocando pérdidas en términos de tiempo y costos en los
componentes para maquinaria pesada, debido a su reparación o incluso la
sustitución de componentes. Es importante seleccionar materiales adecuados
que presenten soldaduras de alta calidad y resistencia al desgaste abrasivo tal
2
como el acero HSLA. Por lo general, las juntas de soldadura en este acero es la
parte más débil del conjunto de estructura soldada. Por lo tanto, el control de
proceso de soldadura es muy importante.
Los parámetros del proceso de soldadura por arco de metal y gas (GMAW)
multipases tienen influencia en el comportamiento del desgaste en
componentes de acero HSLA. Para la realización de este trabajo se utilizaron
placas de 14 mm de espesor que se unieron a traslape por soldadura
multipases; variando los parámetros de velocidad de alimentación del alambre y
el voltaje.
Para evaluar la resistencia al desgaste se utilizó el ensayo “Pin on Disk”.
Este ensayo se realizó siguiendo la norma ASTM G 99-05. Colocándose en
forma perpendicular el pin gira alrededor del disco, teniendo como camino de
desplazamiento un círculo en la superficie del disco. El pin se presiona contra el
disco a una carga específica. Los resultados de desgaste son reportados como
pérdida de volumen para el pasador y el disco por separado. Al realizar la
prueba de laboratorio se establece una distancia de deslizamiento además de
los valores de carga y velocidad.
La tasa de desgaste puede estar relacionada con la microestructura que es
un resultado de la composición química. La influencia de las características
microestructurales tales como la precipitación de carburo sobre el
comportamiento de desgaste se investigó mediante microscopía óptica (MO) y
microscopía electrónica de barrido (MEB). Las mediciones de microdureza se
obtuvieron antes y después del ensayo del desgaste. Los resultados muestran
que la microestructura es modificada por la entrada de calor del proceso de
soldadura.
3
CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN Y ANTECEDENTES
1.1 Antecedentes
El uso de maquinaria pesada ha tenido un gran desarrollo, asumiendo
aplicaciones como el traslado de material, por mencionar alguna. Los
componentes de maquinarias pesadas ofrecen un área oportuna de
investigación, ya que los materiales empleados para la fabricación de estos
componentes deben tener características específicas, por ejemplo soportar las
condiciones de trabajo, además de ser resistentes al desgaste originado por la
carga y descarga de tierra, piedras, entre otros.
La resistencia al desgaste es una propiedad que ha empezado a ser
estudiada de forma más seria desde hace pocos años. Anteriormente se
determinaba de forma empírica en base a la experiencia en la aplicación de
diversos materiales, sin embargo ahora, en México a partir del año 2001, se
formó el grupo de tribología de la Sección de Estudios de Posgrado e
Investigación de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica del
4
Instituto Politécnico Nacional (1). El fenómeno de desgaste puede ocurrir por
diversos mecanismos y/o condiciones en que se encuentre el material,
ocasionando pérdidas en cuanto a tiempo y costos en los componentes
empleados para maquinaria pesada debido a la reparación o incluso reemplazo
de estas máquinas. De los diversos modos de degradación de una superficie en
particular el tipo de desgaste abrasivo, es uno de los grandes problemas que se
presentan en piezas que trabajan en contacto con minerales.
Se han desarrollado investigaciones en algunos aceros sobre fenómenos
tribológicos tales como contacto mecánico, fricción y desgaste; para adecuar
los materiales según las aplicaciones, sin embargo las propiedades
microestructurales y por consiguiente las propiedades mecánicas son afectadas
durante los procesos de soldadura necesaria para la construcción de ciertos
componentes (2).
El proceso de soldadura por arco de metal y gas, GMAW (por sus siglas en
inglés) es ampliamente utilizado en la industria por su versatilidad desde la gran
variedad de materiales que puede soldar hasta su facilidad para ser integrado
en sistemas de producción robotizados. Las industrias buscan ser más
eficientes por lo que han mejorado la calidad y tratan de superar las limitaciones
de GMAW. Además es el proceso de soldadura comúnmente utilizado en la
industria de construcción para equipo pesado de minería (3-4).
5
1.2 Objetivos
1.2.1 Objetivo general
Estudiar los mecanismos y el grado de desgaste que presenta el acero
HSLA, después de haber sido unido, con diferentes parámetros de soldadura,
(específicamente el comportamiento de la zona afectada por el calor) empleado
en la industria que produce maquinaria pesada.
1.2.2 Objetivos específicos
• Identificar los parámetros más significativos del proceso de soldadura
GMAW aplicado en los aceros HSLA.
• Establecer un diseño de experimentos que permita evaluar la
soldabilidad de las placas de acero HSLA utilizadas como componentes
resistentes al desgaste.
• Estudiar los mecanismos de desgaste en aceros HSLA.
• Analizar, comparar y evaluar el comportamiento del desgaste en placas
de aceros HSLA unidas a traslape por el proceso GMAW multipases.
• Relacionar las características microestructurales de los aceros HSLA con
la resistencia al desgaste, después de ser soldados.
• Obtener las durezas del material a lo largo de la unión formada, antes y
después del ensayo de desgaste para relacionar los resultados con el
comportamiento de la junta frente al desgaste.
6
1.3 Justificación
El desgaste de los materiales empleados en la fabricación de componentes
para maquinaria pesada, es realmente significativo por lo que es de suma
importancia conocer los cambios microestructurales de la zona afectada por el
calor en los aceros HSLA soldados por el proceso GMAW y relacionarlos con su
resistencia al desgaste, para tratar de evitar el desgaste prematuro de los pisos
y paredes de las cajas de camiones de minería.
Realizando uniones multipases en placas de aceros HSLA y variando los
parámetros de soldadura, existe un cambio considerable en el comportamiento
del desgaste. Es importante observar dicho cambio para determinar los mejores
parámetros en el proceso GMAW multipases para soldar aceros HSLA de
espesores delgados.
1.4 Planteamiento del problema
Los pisos y paredes de las cajas de los camiones de minería son fabricados
con aceros resistentes al desgaste HSLA, para prolongar la vida de los
componentes en diferentes condiciones de trabajo ya que cuando una pieza o
una parte de la misma presenta deformación y desgaste a tal grado que no
puede trabajar adecuadamente, debe ser reemplazado o reconstruido. Los
aceros HSLA presentan buena soldabilidad, sin embargo, la resistencia al
desgaste decrece en zonas específicas de la unión como en la zona afectada
por el calor, siendo esta zona susceptible al desgaste prematuro afectando el
rendimiento de los pisos y paredes de las cajas de los camiones de minería.
Esta investigación servirá para conocer el comportamiento del desgaste en la
zona afectada por el calor.
7
1.5 Definición de hipótesis
Analizando la relación existente entre la microestructura, soldabilidad y
mecanismos de desgaste es posible determinar el comportamiento de las
uniones soldadas del acero HSLA utilizadas en los pisos y paredes de las cajas
de los camiones de la industria minera.
En las uniones de acero HSLA, la microestructura se verá afectada por la
entrada de calor en las zonas afectadas por la soldadura, por consiguiente la
resistencia al desgaste tendrá un comportamiento diferente a lo largo de las
zonas.
1.6 Límites de estudio
La finalidad del presente documento es aportar información basada en datos
experimentales que permitan conocer el comportamiento de las uniones de
acero HSLA soldadas por el proceso GMAW, empleado para componentes de
maquinaria pesada.
Durante la selección del material solo se tuvo disponibilidad a las placas de
acero HSLA de espesores delgados, por lo que en el estudio realizado las
placas miden 14 mm de espesor.
Además, para las pruebas de ensayo de desgaste se cortó una sección
transversal de la unión, la geometría de la probeta se restringió a un cilindro de
25.4 mm de diámetro con 10 mm de espesor. Este ensayo se realizó a lo largo
de la unión pasando por la zona de soladura, zona afectada por el calor y metal
base, por las restricciones de configuración de la máquina.
8
1.7 Resultados y entregables esperados
Los parámetros de soldadura seleccionados para realizar las uniones de los
aceros HSLA con espesores delgados, teniendo gran influencia tanto para la
calidad de las uniones, como para el comportamiento del desgate.
El estudio de la tribología favorece el avance de los materiales empleados
en la actualidad en la industria para maquinaria pesada. Mediante el desarrollo
de este proyecto se tendrá conocimiento del grado de desgaste que presenta el
acero HSLA templado y revenido después de haber sido soldado, observando
así su desempeño.
9
CAPÍTULO 2
ESTADO DEL ARTE
2.1 Tribología
El desgaste es uno de los principales problemas en la industria metal
mecánica y minera, por lo que se requiere anticipar y dar una respuesta a las
posibles fallas en los materiales, pretendiendo evitar problemas mayores en un
futuro. La tribología es la ciencia y tecnología que estudia las interacciones de
las superficies en movimiento relativo así como los fenómenos que de ellos
derivan. Se dedica específicamente a estudiar la fricción, el desgaste y la
lubricación (5-6).
Las ciencias y ramas de la ingeniería relacionadas con la tribología son:
• Mecánica y física estudiando la fricción.
• Materiales y metalurgia se dedican al desgaste.
• Química que se enfoca a la lubricación.
Con un análisis tribológico se pueden resolver problemas de gran
importancia económica y tecnológica teniendo en cuenta que el desgaste no
solo depende del material empleado pero si de la relación entre el material y el
medio ambiente en el que se aplica.
10
2.2 Tópicos fundamentales de la tribología La tribología, ha ido en avance a lo largo del tiempo y perfeccionando sus
campos de aplicación, por esto se han desarrollado tres tópicos fundamentales
los cuales describen los fenómenos presentes en esta ciencia. Estudiando
específicamente la fricción entre dos cuerpos en movimiento, el desgaste como
efecto natural de este fenómeno y la lubricación como medio para evitar el
desgaste (6-7).
2.2.1 Fricción
La fricción se describe como la resistencia al movimiento de un cuerpo sobre
otro, en sentido contrario o tangencial a la interface; viene de la palabra
“Fricare” de significado frotar. En la maquinaria la fricción es la responsable de
la disipación de energía proporcionando el movimiento y generando calor,
provocando el desgaste de las superficies de deslizamiento y su degradación
eventual hasta el punto de que la sustitución de componentes completos sea
forzosa, por lo tanto es necesario controlar la fricción. Los valores constantes de
fricción son indispensables para el diseño de componentes para que funcionen
de manera eficiente y confiable (7).
Las leyes fundamentales que rigen la experimentación sobre la fricción de
los cuerpos sólidos son relativamente simples, formulándose en términos muy
generales (7):
• La fricción es independiente de la velocidad de deslizamiento.
• La fuerza de fricción es proporcional a la carga normal aplicada.
• La fuerza de fricción es independiente del área de contacto.
Sin embargo, es importante señalar que son aplicables en muchos casos
pero hay condiciones en las cuales se degradan, la fricción se representa por el
coeficiente de fricción µ, haciendo la relación entre la fuerza de fricción y la
carga aplicada (7):
11
Ϝ 𝜇𝜇 = 𝑁𝑁
Ecuación 2.1
Pudiéndose explicar esta relación en la figura 2.1 a) donde existe una
superficie plana con un ángulo de inclinación necesario para iniciar el
movimiento de un cuerpo, además se describe b) la relación del ángulo de
fricción con respecto de la fuerza aplicada (7).
Figura 2. 1 Plano inclinado utilizado para determinar el coeficiente de fricción, a) plano inclinado que inicia el movimiento del cuerpo, b) relación del ángulo de fricción con
respecto de la fuerza aplicada (4).
Considerando que el estudio tribológico engloba la relación material medio
ambiente es importante comprender la relación entre el sistema y los
fenómenos que en él ocurren. A partir de esto se han clasificado los
mecanismos que están implicados en la generación de la fricción. Se tienen tres
mecanismos que son adhesión, abrasión y fatiga, si existe entre ellas un
lubricante se considera el cuarto mecanismo de lubricación (7-8):
• Fricción adhesiva es la fuerza requerida para desprender las uniones
formadas entre dos superficies.
• Fricción abrasiva es la fuerza necesaria para deformar la superficie en
forma elástica o plástica, o bien por el corte y desprendimiento de viruta.
12
• Fricción por fatiga o histéresis la cual es producida por la aplicación de
cargas cíclicas, teniendo efecto sobre la formación de las asperezas (5)
La fricción es un fenómeno importante en la actualidad, ya que genera
desgaste en los materiales, dependiendo de las propiedades de este así como
del medio ambiente en el que se encuentre, en el caso particular de esta
investigación se busca la mejora continua del material utilizado en componentes
para maquinaria pesada.
2.2.2 Desgaste
Para la industria es importante entender los mecanismos del desgaste
tratando de disminuirlo e incluso evitarlo, ya que es una de las formas de
deterioro más costosas. Aunque el desgaste no ocasiona fallas violentas si
tiene consecuencias importantes como la reducción de operación, disminución
de eficiencia, del rendimiento y de la vida útil de algunos componentes para
maquinarias pesadas (9).
El desgaste se define como el proceso en el cual las capas superficiales de
un sólido se rompen como resultado de la acción mecánica de otro cuerpo o
medio. El comportamiento de desgaste depende de ciertos factores de igual
importancia que determinan las características de este fenómeno. Los factores
relacionados con metalurgia son: dureza, tenacidad, microestructura y
composición química. Mientras que las variables que tienen relación con su uso
son la presión, velocidad y acabado superficial (1).
El material va sufriendo de una pérdida progresiva en la superficie,
reduciendo el tamaño de la pieza, afectando su calidad y como consecuencia
se deberá cambiar o reparar según el daño observado (9). Por lo general los
componentes susceptibles al desgaste son los que están en contacto deslizante
con otros materiales, en la figura 2.2 se muestran diferentes tipos de acciones
mecánicas sobre los materiales.
13
Figura 2. 2 Tipos de acciones mecánicas sobre los materiales (8).
El desgaste por contacto puede variar desde un desgaste suave hasta uno
que genere remoción del material. El comportamiento real de un material de
desgaste se asocia con muchos factores externos como tamaño de partícula
abrasiva y su velocidad así como propiedades intrínsecas del material de
desgaste entre ellas la dureza, tenacidad, módulo de Young, etc.
Las propiedades de dureza y tenacidad de los materiales resistentes al
desgaste son altamente dependiente del contenido de la fase de refuerzo, su
tamaño y de las propiedades mecánicas de la fase constituyente (10). Además
la cantidad de desgaste en el sistema, en general, depende de la cantidad de
factores del sistema tales como la carga aplicada, características de la
máquina, velocidad de deslizamiento, la distancia de deslizamiento, el medio
ambiente, y las propiedades del material (11).
El desgaste de los materiales puede ser generado por diferentes
mecanismos según su origen. Para describir los diversos tipos de desgaste es
necesario entender las interacciones físicas entre las partículas abrasivas y las
superficies (8), describiendo a continuación algunos mecanismos:
14
a) Desgaste adhesivo
Este tipo de desgaste ocurre cuando dos superficies se deslizan una contra
otra bajo presión, como se ejemplifica en la figura 2.3. Los puntos de contacto
donde ocurre el deslizamiento pueden formar fuertes uniones endurecidas
(soldaduras en frío) y cuando se producen fuerzas de tracción tangencial se
fractura la unión, desgarrando el material de una superficie y transfiriéndolo a
otra ocasionando daño (8). La formación de regiones adheridas depende de las
propiedades químicas y físicas de los materiales en contacto además de las
cargas aplicadas y de la rugosidad de cada material (12). Existe una estrecha
relación entre las fuerzas necesarias para quebrar las uniones adheridas y la
carga normal con la cual las muestras fueron inicialmente comprimidas
definiéndose como coeficiente de adhesión. Entre los parámetros más
importantes del desgaste por adhesión están:
• Estructura cristalina.
• Orientación del cristal.
• Fuerza cohesiva.
Figura 2. 3 Mecanismo de desgaste adhesivo a) esquema representativo, b) superficie expuesta a desgaste adhesivo (13).
15
b) Desgaste por fatiga
Este desgaste está presente cuando los materiales están sometidos a
grandes esfuerzos cíclicos, provocando propagación de grietas por la acción
repetitiva de las fuerzas, mostrado en la figura 2.4. Cuando existen piezas
sometidas a deslizamientos las superficies son deformadas por la acción
simultánea de las tensiones de contacto y la fuerza de fricción, los esfuerzos a
los que están sometidos los materiales particularmente en las capas
superficiales, promueven alteraciones en la estructura cristalina y en el tamaño
de grano (7).
Figura 2. 4 Mecanismo de desgaste por fatiga a) esquema representativo, b) superficie expuesta a desgaste por fatiga (14).
c) Desgaste erosivo
El desgaste erosivo es causado en la superficie de los materiales por el
impacto de partículas de sólido o líquido, actuando solas o de manera
combinada. En la figura 2.5 se puede observar este fenómeno. Se define como
el fenómeno en donde el material es removido de la superficie durante la acción
continúa de partículas duras o de fluidos en contacto, se impactan a
velocidades y ángulos diferentes ocasionando deformación en la superficie por
la energía de impacto de las partículas (12). El comportamiento del desgaste
erosivo es diferente según las características del material:
16
• Materiales dúctiles: cuando es impactado, se forman cráteres en la
superficie, después de múltiples impactos el material es arrancado en
forma de debris (partículas de desgaste), la forma y tamaño de los
cráteres dependen de la velocidad y partículas de impacto.
• Materiales duros: los impactos en estos materiales causan micro grietas
superficiales, las cuales crecen hasta que se unen, arrancando el
material en forma de fragmentos.
Es importante mencionar que un material después de estar sometido a
múltiples impactos, puede sufrir cambios estructurales que lo llevan a
comportarse de una forma frágil.
Figura 2. 5 Mecanismo de desgaste erosivo a) esquema representativo, b) superficie expuesta a desgaste erosivo (15).
d) Desgaste por “fretting”
Es el desgaste que experimentan las superficies del material en contacto,
con pequeñas oscilaciones cíclicas. El daño que produce este desgaste es
superficial y el deterioro de la pieza es por fatiga. En el desgaste por “fretting”
se desarrollan grietas en la región afectada, ocasionando reducción de la
resistencia a la fatiga del material si experimenta esfuerzos cíclicos. Ocurre
entre componentes que tienen como función evitar el movimiento, como
sujetadores de presión, por mencionar alguno (7). En la figura 2.6 se muestra el
mecanismo de desgaste por fretting.
17
Figura 2. 6 Mecanismo de desgaste por fretting a) esquema representativo, b) superficie
expuesta por fretting (16).
e) Desgaste abrasivo
Este desgaste se define como la pérdida de masa por la interacción de
partículas duras contra una superficie, el material sufre mayor grado de
desgaste dependiendo de su composición, tipo de material y/o configuración
geométrica (16). En la figura 2.7 se observa este mecanismo de desgaste.
Figura 2. 7 Esquema representativo del mecanismo de desgaste abrasivo a) superficie aspera y dura deslizandose sobre una superficie blanda y b) particulas abrasivas libres
entre dos superfiecies.
18
El desgaste abrasivo se puede dar por las rugosidades duras pertenecientes
a una de las superficies en contacto o se puede provocar también por partículas
duras sueltas entre las superficies que están en movimiento. Regularmente los
materiales que contienen partículas duras como óxidos y carburos son los que
presentan este tipo de desgaste. Las propiedades que determinan una buena
resistencia al desgaste abrasivo son (12, 13, 17):
• Alta dureza.
• Gran cantidad de carburos.
• Gran dureza de los carburos.
• Gran tamaño de los carburos.
En la industria minera el desgaste abrasivo genera grandes costo por la
progresiva pérdida del material en las superficies de algunos componentes. En
base a esta aplicación existen tres diferentes tipos de desgaste abrasivo, según
el daño causado al material en servicio (7):
• Abrasión de bajo esfuerzo: Las partículas se deslizan sobre una
superficie sin sufrir grandes impactos.
• Abrasión de alto esfuerzo: El material es de gran dureza y es retenido
entre dos superficies con el fin de triturarlo.
• Abrasión severa: Se observa a simple vista en ranuras o surcos y
desplazamientos del material que se producen por la intensidad del
proceso.
En la figura 2.8 donde se muestra la superficie de un Hardox 400 después
de experimentar desgaste erosivo abrasivo, el desgaste afecta propiedades del
material como la dureza, tenacidad y microestructura. Los componentes
microestructurales de los materiales guardan estrecha relación con la
resistencia al desgaste (10).
19
Figura 2.8 Desgaste de las superficies superiores de Hardox 400 estudiado después de
desgaste erosivo abrasivo con grava cuarcita (10).
La dureza de un material no determina el éxito a la resistencia al desgaste,
sin embargo es una propiedad importante, existe una relación entre la dureza
de las partículas abrasivas y la dureza del material, si la dureza del acero es
superior a la que tienen las partículas abrasivas que se ponen en contacto
sobre el acero en servicio, éstas apenas pueden causar deformación plástica en
el material, por el contrario si la dureza del acero es inferior a la de las
partículas abrasivas, entonces se produce el desgaste del mismo y por lo tanto
el deterioro del material (10). Factores como la microestructura del material (por
ejemplo, austenita retenida, la dureza de la martensita), la cantidad y el tipo de
la segunda fase, tensiones internas, entre otros, pueden tener un impacto más
significativo en la resistencia al desgaste que la dureza (18).
En la figura 2.9 se muestra la morfología de la superficie de una aleación rica
en vanadio, la presencia de carburos puede disminuir el desgate, sin embargo,
en la prueba realizada a esta aleación los carburos fueron casi cortados y
rayados por las partículas abrasivas de SiO2 (19). La deformación elástica y la
energía transmitida al material dependen del módulo elástico. La presencia de
constituyentes de distinta dureza en la microestructura del acero puede
modificar el comportamiento frente al desgaste. (20).
20
Figura 2.9 Aspecto típico de desgaste, morfología de la superficie de una aleación con alto contenido de vanadio con una dureza de 650HV, a) La presencia de carburos MC modifica la morfología delas ranuras causadas por el desgaste y los b) carburos MC2
fueron casi cortados y rayados por las partículas abrasivas (19).
2.3 Superficie de contacto La superficie de los materiales es la región más sensible en los mecanismos
de desgaste, los daños que se generan en las superficies dependen de las
características del material y de la aplicación en la que se utilicen, desarrollando
cambios topográficos o microestructurales del material en las capas
superficiales. El daño observado es el efecto acumulativo de los diferentes
mecanismos (7-8).
Para comprender el daño generado en material por el fenómeno de desgate
es importante analizar desde los mecanismos de desgaste hasta las geometrías
de las piezas en cuestión. Un ejemplo del daño superficial del material es la
figura 2.10 donde se observa la superficie de tres aceros (A acero inoxidable
ferrítico, B y C aceros aleados con alto y medio contenido de carbono)
resistentes a la abrasión con aplicaciones en la industria minera, expuestos a
las pruebas de laboratorio “pin on disk” y “paddle wear”, respectivamente. En la
prueba de pin on disk, la tasa de desgaste de los aceros es controlada por los
valores de dureza y tenacidad de éstos. Mientras que en la prueba paddle wear
21
la tasa de desgaste es controlada por la presencia de partículas abrasivas
integradas (21).
Figura 2. 10 Secciones pulidas, vistas por microscopía óptica, de las microestructuras deformadas de las capas superficiales en los aceros estudiados en el ensayo a) pin on
disc y b) paddle wear (21).
En las superficies de los materiales en contacto, solamente una pequeña
porción de área del material está en contacto, esto como consecuencia de la
rugosidad superficial que puede interpretarse como área real de contacto,
mostrada en la figura 2.11 en donde se pueden identificar dos áreas, una
correspondiente al área de contacto aparente y la otra al área real de contacto
(1).
Figura 2. 11 a) Área aparente, b) Área real en la superficie de contacto (1).
22
El desgaste en los diferentes materiales es en forma plástica, donde el área
real de contacto plástico depende directamente de la carga y es independiente
de la distribución de alturas de las asperezas, por lo tanto, el área plástica es
directamente proporcional a la carga e inversamente proporcional a la dureza
(6).
Las deformaciones presentadas en la superficie de contacto de los
materiales sometidos a desgaste se presentan como (7):
• Cambio microestructural: Se da por los cambios microestructurales,
como la recristalización.
• Deformación plástica: Se caracteriza por la deformación residual de la
capa de superficie, revelándose a menudo como cambio en la forma.
• Grieta superficial: El daño causado por las excesivas tensiones de
contacto locales o variaciones cíclicas.
• Daños en la superficie con pérdida de material: La pérdida de material de
la superficie deja cicatrices de desgaste de diferentes formas y tamaños,
puede ser una fractura, cizalladura, extrusión, formación de viruta,
fractura frágil, fractura por fatiga, disolución química y difusión.
• Daños en la superficie de un material: transferencia de material desde la
superficie contraria, y así sucesivamente de partículas sueltas.
• Corrosión: la degradación del material por reacciones químicas con
elementos ambientales o elementos contra la superficie.
Teniendo como punto de partida el estudio del desgaste, y cómo actúa sobre
las superficies de los materiales, es importante indagar sobre las aleaciones
resistentes al desgaste que pueden ser aplicados en las industrias que realizan
componentes para maquinaria pesada para conocer su comportamiento.
23
2.4 Aceros alta resistencia baja aleación (HSLA) El acero es un material ampliamente aplicado, esto se debe a las
propiedades que ofrece de versatilidad y adaptación a las necesidades que
surgen en diferentes industrias (17). En la figura 2.12 se muestra un diagrama
de clasificación, según sus características.
Figura 2. 12 Clasificación de las aleaciones férreas (17)
Las aleaciones ferrosas contienen elementos aleantes que le confieren
ciertas propiedades. Las propiedades mecánicas de un material describen la
forma en que el material responde a alguna fuerza aplicada incluyendo
resistencia, rigidez y ductilidad. Dependiendo estas propiedades totalmente de
la estructura y procesamiento del material estudiado (22).
En la industria de la maquinaria pesada se buscan las propiedades
mecánicas de resistencia al desgaste principalmente, además de buena
soldabilidad; por lo que se han desarrollado aceros para ser aplicados a
grandes cargas y trabajos pesados; denominados aceros alta resistencia baja
24
aleación HSLA (por sus siglas en inglés) o microaleados. Estos aceros cuentan
con una excelente combinación de alta resistencia, buena resistencia al impacto
y buena soldabilidad. Remplazando así a los aceros de medio carbono
convencionales (23-24).
Los aceros HSLA son de bajo carbono (entre 0.10 y 0.30% e.p.) y contienen
pequeñas cantidades de elementos de aleación, (generalmente 3%),
formadores de carburos, nitruros y carbonitruros, controlando así la resistencia
y otras propiedades de los aceros estructurales. Se caracteriza por una
microestructura que consiste de una ferrita de grano fino como una de las fases
y una segunda fase dura de martensita y de austenita (25-27). En la figura 2.13
se pueden observar micrografías ópticas representativas de tres aceros. La
microestructura primaria contiene la mezcla de bainita y martensita y su dureza
están en el mismo nivel, alrededor de 270 - 275 (HV10) (28).
Figura 2.13 Microestructuras ópticas a) acero con Nb, b) acero con Ti y c) acero con Ti y V (28).
Los aceros HSLA corresponden a un subgrupo de aceros con bajo contenido
de carbono, son dúctiles, formables y maquinales, tienen niveles de resistencia
mayores que los aceros al carbono además de excelente combinación de
resistencia, tenacidad y soldabilidad (29-31).
El desempeño de los materiales en sus aplicaciones está estrechamente
relacionado con su microestructura. Los aceros HSLA son laminados en
caliente con microestructuras de ferrita y perlita (27). Los diferentes tipos de
25
materiales resistentes al desgaste están disponibles con diferentes
composiciones para obtener el mejor rendimiento posible. Algunos de los
elementos de aleación como cobre, cromo, vanadio, níquel y molibdeno;
modifican sus propiedades ya que forman fases precipitadas de carburos y/o
nitruros (17, 27). El criterio principal para la selección de resistente al desgaste
es el tipo de desgaste, la temperatura y la corrosión (12,32).
2.5 Tratamientos térmicos en aleaciones resistentes al desgaste
Los aceros HSLA son empleados desde los principios de los años 60, sin
embargo fue hasta los años 80 que se empezaron a utilizar como materiales de
refuerzos en formas muy variadas, ya que sus propiedades pueden ser
encaminadas al cumplimiento de unos requerimientos específicos por la
combinación de la composición y microestructura obtenida por tratamientos térmicos (27).
En los aceros, especialmente los aplicados a la industria minera, deben
presentar propiedades muy específicas, buscando microestructuras que logren
obtenerlas, es por eso que normalmente se les aplica tratamiento térmico de
temple y revenido, siendo así los tratamientos térmicos son uno de los factores
más importantes para determinar el comportamiento de los materiales en
servicio (27). El tratamiento térmico puede controlar la forma y distribución del
carburo de hierro en la matriz ferrítica para obtener relaciones adecuadas entre
la resistencia al impacto y la dureza para aplicaciones específicas (32).
Por definición el temple es un tratamiento térmico que endurece y aumenta
la resistencia de los aceros. Se calienta en general el acero a una temperatura
ligeramente elevada que la crítica superior y se enfría luego rápidamente
(según la composición y tamaño de la pieza) en un medio conveniente, agua,
aceite, etc. (33). El revenido es un tratamiento que se da a las piezas de acero
que han sido previamente templadas. Consiste en un calentamiento a
temperatura inferior a la crítica, disminuye la dureza y la resistencia de los
26
aceros templados, elimina las tensiones creadas en el temple y mejora su
tenacidad, quedando además el acero con la dureza o resistencia deseada (33).
En el esquema de la figura 2.14 se muestra el perfil de temperaturas y el
diagrama TTT de los tratamientos térmicos antes descrito (34).
Figura 2.14 a) Perfil de temperatura en un ciclo de temple y revenido, b) diagrama TTT continuo muestra la progresión del temple. La dureza depende de la temperatura y el
tiempo de enfriamiento. Los cambios más leves en el eje del tiempo (grado de enfriamiento) causan una diferencia importante en los niveles de dureza que se pueden
alcanzar (34).
27
En el estudio “Relación entre desgaste y tenacidad para algunos aceros al
carbono templados y revenidos a iguales niveles de dureza” realizado por Sierra
H y colaboradores en el año 2000, se determinó que la resistencia al desgaste
en aceros de alto carbono es mayor que para aceros de más bajo contenido de
carbono, como se puede observar en la figura 2.15, dado que la cantidad de
carburos precipitados durante el revenido es proporcional a la cantidad de
carbono y éstos actúan como superficie de protección de las superficies
blandas (35).
Figura 2.15 Resistencia al desgaste contra porcentaje de carbono para iguales niveles de dureza (35).
Además existe precipitación significativa de carburos por revenidos a
tiempos más largos y a mayores temperaturas, produciendo estructuras más
estables. Para un mismo contenido de carbono la resistencia al desgaste está
determinada por la cantidad de carburos mientras que la tenacidad está
determinada por la cantidad de carburos precipitados y su morfología (35).
En el estudio realizado en el año 2007 “Resistencia a la abrasión vs.
Resistencia al impacto del acero AISI 15B30, templado y revenido” Sierra H. y
colaboradores, no sólo se compara la resistencia al desgaste de un acero al
carbono frente a uno de igual porcentaje de carbono pero con boro, sino que
también evaluó el comportamiento ante el impacto de ambos aceros a iguales
28
niveles de dureza. Los materiales fueron sometidos a tratamientos térmicos
para conseguir una distribución más homogénea del carbono y aliviar en algo la
segregación de los diferentes elementos aleantes del acero. En la figura 2.16 se
muestran los resultados de los ensayos de dureza, energía de impacto y del
desgaste abrasivo para los aceros estudiados (36).
Figura 2.16 a) Dureza, b) Tenacidad y c) Resistencia al desgaste vs. Temperatura de
revenido (36).
29
De esta manera se determinó que la resistencia de los aceros al boro con
bajo contenido de carbono presenta mejor tenacidad con el tratamiento de
temple y revenido, posiblemente debido al refinamiento del grano y de la
microestructura. Los aceros al boro mejoran claramente su tenacidad con un
revenido a 200°C a diferencia de los aceros libres de boro donde el aumento en
la tenacidad es muy leve. El balance de características mecánicas obtenido en
los aceros al boro, los hace aptos para aplicaciones donde haya exigencia de
tenacidad y resistencia al desgaste abrasivo moderado. Los borocarburos de
hierro contribuyen a mejorar la tenacidad de los aceros al boro templados y
revenidos a través de diferentes mecanismos: a las temperaturas de temple
usadas mantienen el tamaño de grano, producen listones más finos de
martensita y durante el revenido los carburos que precipitan son más pequeños
y mejor distribuidos (36).
2.6 Soldabilidad de los aceros HSLA
La aplicación de los materiales resistentes al desgaste es bastante amplia,
por lo que algunas requieren unirse mediante soldadura, buscando no afectar
las propiedades de los materiales, para ofrecer un buen desempeño.
El concepto de soldadura se define según la Sociedad Americana de la
Soldadura (AWS por sus siglas en inglés) como: una unión localizada, fusión o
crecimiento conjunto de la estructura de grano de los materiales soldados,
producida por calentamiento de estos, a las temperaturas de soldaduras
requeridas, con o sin la aplicación de presión, y con o sin el uso de materiales
de aportación (37).
La composición química, el calor de entrada y la velocidad de enfriamiento
son factores importantes para determinar la soldabilidad, ya que producen
cambios microestructurales en la unión como crecimiento de grano, cambios de
fases, esfuerzos de tensión y compresión. Sin embargo hay características
30
específicas como la entrada de calor y la velocidad de enfriamiento determinado
por el proceso empleado, la técnica utilizada y espesores del material.
2.7 Proceso de soldadura GMAW
Un proceso de soldadura ampliamente utilizado en la industria es la
soldadura de arco metálico con protección de gas, (GMAW por sus siglas en
inglés), que es un proceso de soldadura por arco donde se emplea un electrodo
continuo de metal de aporte, generando un arco entre éste y el charco de
soldadura. El proceso se realiza bajo un escudo de gas suministrado
externamente, como se muestra en la figura 2.17. Al realizar los ajustes iniciales
del equipo se pueden regular automáticamente las características eléctricas del
arco, así que los únicos controles manuales que el soldador requiere para la
operación semiautomática son los de velocidad, dirección del desplazamiento y
posicionamiento de la pistola (38).
Este proceso es utilizado para unir todos los metales de importancia
comercial, como el acero al carbono, el acero de baja aleación alta resistencia,
el acero inoxidable, el aluminio, cobre, titanio y aleaciones de níquel. Además
con una selección apropiada del gas protector, electrodo y las variables de
soldadura se puede soldar en cualquier posición (38).
Figura 2. 17 Proceso de soldadura por arco de metal y gas, GMAW (39).
31
2.7.1 Principios de operación del proceso GMAW
El equipo necesario para GMAW se muestra en la figura 2.18 en donde se
muestran los componentes básicos del equipo los cuales constan de: unidad de
pistola soldadora y cables, la unidad de alimentación del electrodo, la fuente de
potencia y la fuente de gas protector.
La pistola es la encargada de proporcionar la energía para establecer y
mantener el arco necesario para fundir el electrodo, ya que a través de ella se
conduce la corriente eléctrica y el gas protector de trabajo además de ser la
guía del electrodo consumible.
Figura 2. 18 Los componentes básicos del equipo GMAW (40).
Para lograr la autorregulación de la longitud del arco se emplean dos
combinaciones de unidad de alimentación de electrodo y fuente de potencia,
esta regulación se efectúa con una fuente de potencia de voltaje (potencial)
constante (que por lo regular tiene una curva volt-ampere prácticamente plana)
en conjunción con una unidad de alimentación de electrodo de velocidad
constante. Como alternativa, una fuente de potencia de corriente constante
32
proporciona una curva volt-ampere de caída, y la unidad de alimentación del
electrodo se controla por medio del voltaje del arco (38).
Con la combinación de potencial y alimentación de alambre constantes, los
cambios en la posición del soplete originan un cambio en la corriente de
soldadura que coincide exactamente con el cambio en la extensión (protrusión)
del electrodo, de modo que la longitud del arco no se modifica. Por ejemplo si
se aumenta la extensión del electrodo al retirar el soplete, la salida de corriente
de la fuente de potencia se reduce, con lo que se mantiene el mismo
calentamiento por resistencia del electrodo (38). En el sistema alternativo, la
autorregulación se efectúa cuando las fluctuaciones del voltaje de arco
reajustan los circuitos de control del alimentador, los cuales modifican de
manera apropiada la velocidad de alimentación del alambre.
2.7.2 Ventajas y limitaciones del proceso GMAW Las ventajas del proceso se pueden observar en la tabla 2.1, éstas son las
que hacen al proceso ideal para aplicaciones de soldadura en alto volumen de
producción, además de ser el proceso predominante en sistemas
automatizados. Sin embargo, como en todos los procesos de soldadura existen
ciertas limitaciones, también mostradas en la tabla 2.1, que restringen el uso de
este proceso (38).
33
Tabla 2. 1 Ventajas y limitaciones del proceso GMAW (38) Ventajas Limitaciones
Puede soldar todos los metales y aleaciones comerciales
El equipo es más complejo, más costoso y menos transportable comparado con la soldadura por arco de metal protegido
Puede soldar en todas las posiciones La pistola es grande por lo que hace complica su uso en lugares de difícil acceso
Logran tasas de deposición más altas que comparadas con la soldadura por arco de metal protegido
El arco de soldadura debe protegerse contra corrientes de aire que puedan dispersar el gas protector
Velocidades de soldadura más altas comparadas con la soldadura por arco de metal protegido
Altos niveles de calor radiado e intensidad de arco
Es posible depositar soldaduras largas sin parar y volver a comenzar
Casi no se requiere limpieza después de soldadura porque no produce escoria
2.7.3 Variables del proceso GMAW Para realizar una soldadura de buena calidad se debe tener conocimiento y
control de las variables que afectan el proceso, además las variables no son
independientes y si se modifica una es necesario modificar una o más de las
otras para obtener buenos resultados, enseguida se enlistan algunas de las
variables que afectan la calidad global de la soldadura (38):
• Corriente de soldadura (velocidad de alimentación del electrodo).
• Polaridad.
• Voltaje del arco (longitud del arco).
• Velocidad de recorrido.
• Extensión del electrodo.
• Orientación del electrodo (ángulo respecto a la dirección de
desplazamiento).
34
• Posición de la unión que se va a soldar.
• Diámetro del electrodo.
Consumibles La composición química del electrodo, del metal base y del gas protector
determinarán la composición del metal de soldadura. Por lo tanto esta
composición determina las propiedades químicas y mecánicas del ensamble
soldado. Para la selección adecuada del electrodo y del gas protector es
necesario conocer el metal base, las propiedades que debe tener el metal de
soldadura, condición y limpieza del metal base, posición de soldadura,
modalidad de transferencia del metal que se piensa usar (38). Los consumibles
del proceso GMAW son (38):
• Gas protector.
• Electrodo.
Para desarrollar una soldadura de calidad se debe tomar en cuenta tanto las
variables antes mencionadas como los consumibles del proceso. Es necesario
tener habilidad y experiencia para seleccionar los valores óptimos del proceso
para cada aplicación, tomando en cuenta que dependen totalmente del tipo de
metal base empleado, composición del electrodo, posición en que se suelda y
los requisitos de calidad (38).
A continuación se describen las variables más relevantes y los consumibles
para el proceso de soldadura GMAW:
Corriente de soldadura
Cuando todas las variables se mantienen constantes, el amperaje de
soldadura varía con la velocidad de alimentación del electrodo o con la rapidez
de fusión siguiendo una relación no lineal. La corriente es proporcional a la
velocidad de alimentación del electrodo e inversamente proporcional a la
longitud libre del electrodo, siempre y cuando se mantengan constantes la
35
composición y el diámetro del mismo. La relación entre la velocidad de
alimentación del electrodo y la corriente de soldadura varía con su composición
química (38).
Si todas las demás variables se mantienen constantes, un aumento en la
corriente de soldadura producirá un aumento en la profundidad y anchura de
penetración, un incremento en la tasa de deposición y un aumento en el
tamaño de la franja de soldadura, como se puede observar en la figura 2.19.
Figura 2. 19 Relación entre la forma del cordón y la corriente: baja, b) media y c) alta (41).
Polaridad
Es la conexión eléctrica de la pistola de soldadura en relación con las
terminales de la fuente de potencia. De tal manera que si el cable de potencia
de la pistola se conecta a la terminal positiva es Corriente Continua con el
Electrodo Positivo (CCEP) o polaridad inversa; por el contrario si el cable de
potencia de la pistola se conecta a la terminal negativa es polaridad directa o
Corriente Continua con el Electrodo Negativo (CCEN) (38) .
En este proceso de soldadura regularmente se trabaja con CCEP para todas
las aplicaciones ya que esta conexión produce un arco estable, una
transferencia de metal uniforme, relativamente pocas salpicaduras, buenas
características en la soldadura y profundidad máxima de penetración para una
amplia gama de corrientes de soldadura. Sin embargo por la alta deposición y la
menor deposición que se genera en la conexión CCEN se utiliza
ocasionalmente en aplicaciones para recubrimientos (38).
36
Voltaje El voltaje del arco depende de su longitud así como de muchas otras
variables, como la composición y dimensiones de electrodos, el gas protector y
la técnica de soldadura. El voltaje de arco permite expresar de forma
aproximada la longitud física del arco (38).
Si todas las variables se mantienen constantes, el voltaje de arco se
relaciona directamente con la longitud del arco. Los niveles establecidos de
voltaje de arco varían dependiendo del material, el gas protector y la modalidad
de transferencia, y la apariencia, la calidad y las propiedades de las soldaduras
son afectados por variaciones en el voltaje de arco. Un voltaje de arco
demasiado alta (arco largo) puede originar excesivas salpicaduras, porosidad,
socavamiento y cordones anchos e irregulares. Un voltaje de arco demasiado
baja (arco corto) puede dar origen a excesivas salpicaduras y cordones
angostos con coronas más altas y penetración más profunda, pudiéndose
observar en la figura 2.20 (38).
Figura 2. 20 Relación entre la forma del cordón y el voltaje: a) baja, b) media y c) alta (41)
Velocidad de recorrido
Se define como la tasa de movimiento lineal del arco a lo largo de la unión
que se va a soldar, afectando la penetración y el contorno del cordón. Cuando
se reduce la velocidad de recorrido la deposición del metal de aporte se
incrementa por unidad de longitud, se reduce la penetración efectiva y la franja
de soldadura es más ancha; por el contrario si incrementa la velocidad de
37
recorrido, la fusión del metal base primero aumenta y luego disminuye, se
producirá socavamiento a lo largo de los bordes de la franja de soldadura, ya
que no se depositará el material de aporte para rellenar el trayecto fundido por
el arco (38).
Extensión del Electrodo
También conocido como stick-out, mostrado en la figura 2.21, se define
como la distancia entre el extremo del tubo de contacto (donde se transfiere la
corriente) y la punta del electrodo (donde se produce el arco) (38).
En general se puede decir que este extremo no fundido del electrodo actúa
como un resistor cuya resistencia será proporcional a la extensión del electrodo,
por lo que la corriente estará afectada por la longitud libre. Un aumento en la
extensión del electrodo produce un aumento en su resistencia eléctrica y una
caída de la corriente; por el contrario disminuye la extensión del electrodo y la
corriente aumenta (38).
Figura 2. 21 Terminología de soldadura por arco de metal y gas (41).
38
Calor Aportado
Cuando se realiza la soldadura, el área donde se aporta calor es
relativamente pequeña respecto de las dimensiones de la pieza, ya que no todo
el calor generado entra en la pieza. Se define como el cociente entre la potencia
entregada (I x Va) y la velocidad de avance del electrodo (42):
Q = I x Va / vel av (A . V /mm. s − 1) = (kJ/mm) Ecuación 2.2
El calor aportado sobre la pieza es función de los parámetros de soldadura
fijados en el momento de iniciar el trabajo. Dichos parámetros son:
• Intensidad de corriente: I (A)
• Voltaje de arco: Va (V)
• Velocidad de avance del electrodo: vel av (mm/s)
Gases protectores
Para obtener soldaduras de calidad, es necesario la protección del arco, el
gas protector impide que la atmósfera entre en contacto con el material de
soldadura fundido, y de esta manera evita reacciones que puedan causar
deficiencias en la soldadura como escoria atrapada, porosidad y pérdida de
ductilidad del metal de soldadura (38).
El caudal del gas se determina en función del tipo y diámetro de la tobera, de
la distancia de la tobera hasta la pieza y de los movimientos de aire en el
ambiente donde se realiza la soldadura. Un caudal de gas bajo resulta una
pobre protección de la pileta fundida dando lugar a porosidad y oxidación.
Excesivo caudal de gas genera turbulencia y mezcla con el aire. El efecto sobre
la calidad de la soldadura será el mismo que cuando falta caudal de gas: en
ambos extremos aumentan las impurezas en el metal de soldadura (41).
39
Electrodos
Para aplicaciones de unión, la composición del electrodo es similar a la del
metal base, puede alterarse un poco para compensar las pérdidas que ocurren
en el arco o para desoxidar el charco de soldadura. En algunos casos requieren
una pequeña modificación de composición del metal base, pero en ciertas
ocasiones es necesario un electrodo con una composición química muy
diferente para obtener características y propiedades del metal de soldadura
satisfactorias.
Además de las modificaciones que se hagan de la composición de los
electrodos, casi siempre se agregan desoxidantes u otros elementos
limpiadores (38). Las especificaciones de la AWS para los metales de aporte se
muestran en la tabla 2.2.
Tabla 2. 2 Especificaciones de la AWS para los metales de aporte (38)
Tipo de material Base Especificación de la AWS
Acero al carbono A5.18
Acero baja aleación A5.28
Aleaciones de aluminio A5.10
Aleaciones de cobre A5.7
Magnesio A5.19
Aleaciones de níquel A5.14
Acero inoxidable de la serie 300 A5.9
Acero inoxidable de la serie 400 A5.9
Titanio A5.16
2.8 Juntas de aceros HSLA Cuando lo materiales son soldados por fusión, en la junta, el material de
ambos componentes es calentado hasta su punto de fusión bajo condiciones de
40
restricción impuestas por la geometría del sistema. Por el ciclo térmico
existente en los procesos de soldadura por fusión, la estructura original del
material y sus propiedades son modificadas en una región cercana a la
soldadura (42).
En la figura 2.22 se puede observar las divisiones del material soldado,
teniendo así el cordón de soldadura, la zona fundida y la zona afectada por el
calor, la transición de unas zonas a otras se realiza de forma progresiva, por lo
que existen pequeñas franjas en las que coexisten constituyentes de las zonas
implicadas (43).
Figura 2.22 Zonas formadas durante el proceso de soldadura, cordón de soldadura la zona fundida y la zona afectada por el calor (43).
Al volumen de material afectado térmicamente se lo denomina zona afectada
por el calor (HAZ, por sus siglas en inglés Heat Affected Zone, figura 2.22), las
temperaturas máximas son demasiado bajas como para causar la fusión, pero
lo suficientemente altas como para causar cambios significativos en la
microestructura y las propiedades de los materiales. La zona afectada por el
calor de una soldadura por fusión en aceros puede ser dividida en tres zonas:
supercrítica, intercrítica y subcrítica. La zona supercrítica puede, a su vez, ser
dividida en otras dos: la zona recristalizada de grano grueso (ZRg), cercana a la
línea de fusión y la zona recristalizada de grano fino (ZRf), que corresponde al
material que no alcanzó temperaturas demasiado elevadas (42).
41
La pérdida de resistencia en la HAZ se puede explicar con la ayuda de ciclos
térmicos, como se muestra en la figura 2.23 donde se muestra que mientras
más cercano al límite de fusión, mayor será la temperatura máxima, el material
se mantendrá más tiempo por encima de la temperatura de recristalización
eficaz, Tx. La dureza de la HAZ disminuye a medida que se acercó al límite de
fusión (42).
Figura 2. 23 Reblandecimiento del metal base provocada por la soldadura: (a) los ciclos térmicos, (b) la dureza (42).
El crecimiento de grano en la HAZ también se puede explicar con la ayuda
de ciclos térmicos, como se muestra en la Figura 2.24, donde se muestra que
entre más cercano este del límite de fusión mayor será la temperatura máxima,
42
el material se mantiene más tiempo a altas temperaturas. El tamaño de grano
en la HAZ aumenta a medida que se acerca al límite de fusión (42).
Figura 2. 24 El crecimiento del grano en HAZ: (a) diagrama de fase, (b) los ciclos
térmicos, (c) las variaciones de tamaño de grano (42).
2.8.1 Efectos de parámetros del proceso de soldadura. El efecto de los parámetros de soldadura en la HAZ se explica en la figura
2.25. Tanto el tamaño de la HAZ y el tiempo de retención por encima de la
temperatura de recristalización eficaz, aumentan con la entrada de calor por
unidad de longitud de la soldadura, (relación de entrada de calor - velocidad de
soldadura). Consecuentemente, la pérdida de resistencia en la HAZ se vuelve
más grave a medida que aumenta la entrada de calor por unidad de longitud de
la soldadura (42).
43
Figura 2.25 Efecto de la entrada de calor por unidad de longitud de soldadura en: (a) anchura de HAZ (sombreada), (b) ciclos térmicos cerca de límite de fusión, y (c) los
perfiles de dureza (42).
La HAZ en un acero al carbono puede estar relacionada con el diagrama de
fases Fe-C, como se muestra en la figura 2.26. La HAZ puede considerarse que
corresponden a la zona en la pieza de trabajo que se calienta entre la
temperatura inferior crítica A1 (la temperatura eutectoide) y la temperatura
peritéctica.
Figura 2.26 Relación del Diagrama Fe-C con las zonas de soldadura: (a) HAZ; (b)
diagrama de fases (42).
44
2.8.2 Soldaduras multipasadas
En las construcciones soldadas es muy común las soldaduras multipasadas,
las características de estas soldaduras difieren un poco respecto a la soldadura
monopasada, el efecto de recalentamiento producido por los cordones
siguientes produce un refinamiento en la microestructura, aumento en la
tenacidad y reducción de las tensiones residuales. Esto se puede dar ya que
(44):
• Cada ciclo térmico de soldadura subsecuente efectivamente refina el
grano o “normaliza” parte del metal de soldadura previo.
• La energía total incorporada por cordón de soldadura es menor, por lo
que se reduce el crecimiento de grano.
• Los cordones de soldadura previos pueden proveer un cierto
precalentamiento el que tiende a extender el tiempo de enfriamiento.
• Los cordones de soldadura subsecuentes tienden a eliminar las
tensiones residuales producidas por los cordones previos.
El calor aportado por cordón disminuye y el efecto neto del recalentamiento
sobre la zona recristalizada en los aceros es de refinar la microestructura más
que de hacer crecer el grano, ya que sólo una pequeña parte de la zona
recristalizada es recalentada hasta las más altas temperaturas. Además pueden
ocurrir transformaciones de fase y la consecuente aparición de nuevas fases
que estarán definidas por la velocidad de enfriamiento en dicha zona (44).
Otra característica interesante de las soldaduras multipasadas es que al
aumentar el número de pasadas, mayor es la fracción en volumen de zona
recristalizada. Por otro lado el uso de pocos pero grandes cordones también
tienden a aumentar la fracción de zona recristalizada. El aumento del volumen
del metal de soldadura recristalizado y la posible remoción de la segregación
resulta en un aumento de la tenacidad del material (44).
45
La soldadura multipasadas posee una relación en el último cordón
depositado similar a la soldadura con precalentamiento, por lo que cabría
esperar efectos similares sobre la HAZ.
Los aceros microaleados o HSLA son aceros soldables, mejoran la
soldabilidad con tratamientos térmicos de precalentamiento y/o tratamientos
post-soldeo, estos aceros pueden someterse a tratamientos de endurecimiento
(laminación en caliente), en el proceso termomecánico se obtienen
microestructuras finas por lo que da alta resistencia y tenacidad evitando usar
elementos de aleación que pongan en peligro la soldabilidad del material. La
HAZ se caracteriza por una menor dureza en relación al metal base, ya que
existen diferentes microestructuras entre el metal base y el cordón de soldadura
condicionando así el comportamiento de la unión. Para evitar diferencias
microestructurales se ha considerado el empleo de tratamiento térmico que
podría modificar la HAZ hacia una distribución de durezas y microconstituyentes
más idónea para resistir los esfuerzos y deformaciones (44).
En la figura 2.27 se puede observar un esquema de las zonas producidas
después del proceso GMAW y las microestructuras características
correspondientes al cordón de soldadura y de la zona afectada por el calor que
a su vez está dividida en tres zonas las cuales son la zona supercrítica, zona
intercrítica y zona subcrítica (44).
46
Figura2.27 Microestructuras características de diversas zonas en el proceso GMAW del
acero Hardox400: a) esquema de las zonas existentes, b) cordón de soldadura, c) zona1 supercrítica, d) zona 2 zona intercrítica e) zona 3 zona subcrítica (43).
La zona afectada por el calor tiende a disminuir el límite elástico y no
resistirá los esfuerzos como el metal base y presentará deformación plástica.
Los tratamientos térmicos post – soldadura mejoran la dureza de la zona
afectada térmicamente. La resistencia de esta zona mejora el 14 % respecto al
mismo proceso sin tratamiento como consecuencia de la eliminación de
tensiones. El precalentamiento amplía la zona afectada térmicamente
consiguiendo que la zona adyacente al cordón pueda distribuir mejor la
absorción de deformaciones. La combinación de ambos tratamientos consigue
la unión de los dos efectos, por lo que resulta recomendable su ejecución
siempre que sea posible (43).
47
2.9 Predicción de la microestructura después de la soldadura
La microestructura resultante en los metales, después de haberse soldado
está influenciada por los siguientes factores (43):
• El proceso de soldadura en sí mismo que definirá el tamaño y la
geometría del charco de soldadura.
• La composición final del metal fundido que es influenciada por el metal
de aporte, el metal base, los fundentes, gases, humedad ambiente, etc.,
y sus efectos en el súper-enfriamiento constitucional y en la segregación.
• La velocidad de soldadura y sus efectos sobre la velocidad de
solidificación, la morfología de los granos y la segregación.
• El ciclo térmico de la soldadura y su influencia sobre el engrosamiento
microestructural y los productos de transformación a través de la
velocidad de enfriamiento.
• El efecto de la composición química del metal de soldadura sobre la
templabilidad del material, especialmente durante el recalentamiento o
en soldaduras multipasadas.
2.10 Pruebas de desgaste
Cuando en los materiales las superficies se encuentran en interacción, la
recopilación de datos de desgaste y fricción del sistema tribológico debe ser de
manera cuidadosa ya que el desgaste y la fricción son propiedades del sistema
en general y del ambiente en donde se desarrollan. Existen diferentes arreglos
geométricos y pruebas de desgaste (45).
En esta investigación se desarrolla el arreglo geométrico asimétrico perno
sobre disco (“pin on disk”), utilizando la maquina bajo la norma ASTM G99-05.
Esta prueba consiste en hacer girar sobre un disco abrasivo, un pin,
colocándose en forma perpendicular el pin gira alrededor del centro del disco,
teniendo como camino de desplazamiento un círculo en la superficie del disco.
El pin se presiona contra el disco a una carga específica (46).
48
En 2009 Rendón José y Olsson Mikael relaizaron el estudio “Abrasive wear
resistance of some commercial abrasion resistant steels evaluated by laboratory
test methods”, donde se evaluó la resistencia al desgaste abrasivo de algunos
aceros aplicados en la industria minera y en el transporte de material (21).
Utilizaron acero inoxidable ferrítico (A), aceros aleados con alto (B) y medio
contenido de carbono (C). El objetivo es evaluar la resistencia al desgaste
abrasivo, al impacto y al deslizamiento, por lo que se realizaron las pruebas
mostradas en la figura 2.28, que son la prueba pin on disk (abrasión por
deslizamiento) y la prueba “paddle wear” (abrasión por impacto). Además se
investigó la relación entre las características del material tales como
microestructura y las propiedades mecánicas y la resistencia al desgaste
resultante (21).
Figura 2. 28 Pruebas realizadas a) Pin on disc, b) Paddle wear (21).
Al analizar las tasas de desgaste abrasivo de los aceros investigados, es
necesario distinguir entre las condiciones de contacto abrasivos mostrados por
las dos pruebas, respectivamente. Una alta resistencia al desgaste abrasivo se
rige por una combinación de alta dureza, reducción del grado de penetración de
las partículas abrasivas y la reducción de la tendencia a la propagación de
grietas, fracturas y desprendimiento de material.
49
La dureza parece tener un papel secundario en el control de la tasa de
desgaste y en función del tipo de desgaste, según la prueba utilizada y con
respecto a la resistencia de los aceros investigados. Por lo tanto, es importante
tener en cuenta el hecho de que ciertas fases (ferrítica, austenítica, bainítica,
martensítica, etc.) y microestructuras, muestren dureza similar (21).
Por otra parte en al año 2010 A. García y colaboradores desarrollaron el
“Estudio tribológico de aceros austeníticos tipo Hadfield: influencia del
manganeso en su respuesta frente al desgaste”, empleando de igual manera el
ensayo pin on disk en cuatro aceros austeníticos tipo Hadfield con diferente
contenido de manganeso entre 4 y 6 % e.p., los resultados obtenidos se han
relacionado con la dureza y con la microestructura de cada muestra
determinándose que, para este tipo de aceros, la resistencia al desgaste no
sólo depende de la dureza del material sino que se ve muy influida por el tipo y
distribución de precipitados existentes. Los resultados obtenidos se muestran
en la figura 2.29 donde se describe que el coeficiente de desgaste decrece
cuando la dureza aumenta. Esto significa que la resistencia al desgaste
aumenta con la dureza del material (47).
Figura 2. 29 Resultados de desgaste y dureza obtenidos para cada acero ensayado (47).
50
En el año 2005 S.N. Krishnan y colaboradores desarrollaron la investigación
“Wear behaviour of a steel weld-joint”, donde se estudió el comportamiento del
desgaste en las diferentes microestructuras en una junta de soldadura a tope.
El material empleado en esta investigación es un acero HSLA, unido mediante
el proceso GMAW, en la figura 2.30 se muestra la macorestructura de la unión
(48).
Figura 2.30 Macorestructura de un acero HSLA unido mediante el proceso GMAW (48).
La experimentación determina que el desgaste depende de la
microestructura de la zona, teniendo diferente comportamiento y confirma que
la tasa de desgaste es inversamente proporcional a la dureza de un material.
Además de concluir que los valores de dureza de las diferentes subzonas a lo
largo de la junta medidas dependen de su microestructura asociando al
comportamiento de endurecimiento por deformación característica de cada
zona (48).
51
CAPÍTULO 3
METODOLOGÍA
3.1 Descripción de la metodología propuesta Para conocer los cambios microestructurales de la zona afectada por el calor
en los aceros HSLA y relacionarlos con su resistencia al desgaste, fue
necesario establecer una metodología como guía para el desarrollo de esta
investigación. La metodología general de las actividades planteadas es
esquematizada en la figura 3.1.
Figura 3. 1 Esquema de la metodología propuesta.
52
3.1.1 Proceso de soldadura
En el desarrollo de la revisión bibliográfica, se abordaron temas de tribología,
superficies de contacto, el desgaste y sus mecanismos, aplicados a aceros
HSLA, ya que este es el material seleccionado para este proyecto. En base a lo
estudiado se ha comprobado que el proceso de soldadura ampliamente
aplicado en la industria para soldar aceros HSLA es el proceso GMAW
buscando siempre mejorarlo. En la tabla 3.1 se puede ver la combinación del
voltaje y corriente, basado en la optimización de los parámetros empleados
para soldar aceros HSLA con espesores delgados, resultando así 16 uniones a
realizar.
Tabla 3. 1 Parámetros utilizados para las 16 uniones.
Voltaje (V)
Corriente (A)
1 27 273 2 27 306 3 27 319 4 27 346 5 29 287 6 29 318 7 29 324 8 29 353 9 31 286 10 31 340 11 31 352 12 31 367 13 32 293 14 32 348 15 32 352
16 32 371
53
3.1.2 Ensayo de Desgaste Pin on Disk
Para esta investigación se realizaron pruebas de laboratorio en donde se
determinó el desgaste durante deslizamiento mediante la prueba pin on disk
según la norma ASTM G 99-05, la maquina empleada para dichas pruebas se
muestra en la figura 3.2. Para realizar la prueba de laboratorio se establece
una distancia de deslizamiento además de los valores de carga y velocidad
(42).
Figura 3.2 Prueba de desgaste por deslizamiento Pin on Disk.
La cantidad de desgaste en cualquier sistema dependerá del número de
factores del sistema tales como la carga aplicada, características de la
máquina, velocidad de deslizamiento, la distancia de deslizamiento, el medio
ambiente, y las propiedades del material. Los parámetros que se deben tomar
en cuenta para la realización de las pruebas se muestran en la tabla 3.2.
El valor de cualquier método de ensayo de desgaste se encuentra en la
predicción de la clasificación relativa de combinaciones de materiales. La
cantidad de desgaste puede ser descrita por la cantidad absoluta de pérdida de
54
peso, por la tasa de pérdida de masas por unidad de uso, o por un cambio
fraccionario de la masa de la parte involucrada.
Tabla 3.2 Parámetros de la prueba (46).
Carga Los valores de la fuerza (N)
Velocidad La velocidad de deslizamiento
relativo entre las superficies de
contacto (m/s)
Distancia La distancia de deslizamiento
acumulado (m)
Temperatura La temperatura de uno o ambos
especímenes en ubicaciones
cercanas a la de contacto (ºC)
Atmósfera ambiente Aire del laboratorio, la humedad
relativa, lubricante, etc. que rodea el
contacto
La pérdida de volumen del material desgastado es determinada por la fórmula:
𝑃𝑃é𝑟𝑟𝑑𝑑𝑖𝑖𝑑𝑑𝑎𝑎 𝑑𝑑𝑒𝑒 𝑚𝑚𝑎𝑎𝑠𝑠𝑎𝑎 (𝑚𝑚𝑚𝑚3) = 𝑝𝑝é𝑟𝑟𝑑𝑑𝑖𝑖𝑑𝑑𝑎𝑎 𝑑𝑑𝑒𝑒 𝑝𝑝𝑒𝑒𝑠𝑠𝑜𝑜 (𝑔𝑔) 𝑥𝑥 1000 Ecuación 3.1
𝑑𝑑𝑒𝑒𝑛𝑛𝑠𝑠𝑖𝑖𝑑𝑑𝑎𝑎𝑑𝑑 ( 𝑔𝑔 ) 𝑐𝑐𝑚𝑚3
Para calcular la velocidad de desgate del material se utiliza la fórmula:
𝑇𝑇𝑎𝑎𝑠𝑠𝑎𝑎 𝑑𝑑𝑒𝑒 𝑑𝑑𝑒𝑒𝑠𝑠𝑔𝑔𝑎𝑎𝑠𝑠𝑡𝑡𝑒𝑒 = ( 𝑃𝑃𝑒𝑒𝑟𝑟𝑑𝑑𝑖𝑖𝑑𝑑𝑎𝑎 𝑑𝑑𝑒𝑒 𝑚𝑚𝑎𝑎𝑠𝑠𝑎𝑎 (g)
𝑡𝑡𝑖𝑖𝑒𝑒𝑚𝑚𝑝𝑝𝑜𝑜 𝑑𝑑𝑒𝑒 𝑙𝑙𝑎𝑎 𝑝𝑝𝑟𝑟𝑢𝑢𝑒𝑒𝑏𝑏𝑎𝑎 (min) ) Ecuación 3.2
El coeficiente de desgaste, calculado en función de la pérdida de volumen experimentada durante el ensayo se realiza según la expresión:
𝐾𝐾 = W FNS
Ecuación 3.3
55
Donde, W es el volumen desgastado, FN es la fuerza normal aplicada en el
ensayo y S es la distancia lineal total.
Para complementar el estudio se realizaron mediciones de dureza en la
sección transversal de la articulación por el método de Vickers. Además se
desarrolló un análisis metalográfico con microscopía óptica (MO), microscopia
electrónica de barrido (MEB) y análisis de rayos X de energía dispersiva (EDX);
de cada una de las zonas de la soldadura (metal base, zona afectada por el
calor y zona de fusión) para cada una de las juntas de soldadas.
56
CAPÍTULO 4
DESARROLLO EXPERIMENTAL
El objetivo de esta investigación es estudiar el comportamiento del desgaste
en la zona afectada por el calor por el proceso GMAW en los aceros HSLA. Los
parámetros empleados en el proceso de soldadura ayudarán a comprender el
desarrollo microestructural del material, de esta manera se asociará el
comportamiento tribológico en la zona afectada por el calor, comprendiendo las
relaciones existentes entre el proceso de soldadura, microestructura y
propiedades de los materiales. En cuanto al procedimiento experimental esta
investigación consistirá en la preparación del material para ser soldado, la
realización de las uniones, caracterizaciones metalográfica, ensayos de
dureza y ensayo pin on disk.
4.1 Selección del material
Inicialmente se seleccionó el material a estudiar, se presenta su
composición química en la tabla 4.1 por espectrometría de emisión óptica. Los
aceros al carbono, son regularmente usados en la industria, mejoran sus
propiedades añadiendo elementos de aleación y/o sometiéndolos a
57
tratamientos térmicos específicos. Para el caso particular de esta investigación
se centró el análisis para un acero al bajo carbono con tratamiento térmico de
templado y revenido.
Tabla 4.1 Composición química (% e.p.)
%C
%S
%Mn
%P
%Si
%Cr
%Ni
%Mo
%Cu
%V
%Nb
%Ti
%W
0.14 <0.002 1.15 0.012 0.34 0.10 <0.04 0.14 0.012 <0.004 <0.004 0.016 <0.0002
La microestructura de los aceros de bajo carbono consiste en ferrita y perlita,
por lo tanto los aceros son poco resistentes pero con alta ductilidad y tenacidad.
Para incrementar la resistencia mecánica de los aceros bajos en carbono, se
les añade elementos de aleación como cobre, vanadio, níquel y molibdeno
dando lugar a otro grupo de aceros bajo carbono llamado aceros de alta
resistencia baja aleación (HSLA). En estos aceros se puede aumentar la
resistencia por tratamiento térmico, el temple produce martensita y el revenido
controla las propiedades finales del acero. La figura 4.1 muestra la
microestructura del acero a estudiar en esta investigación después de haberse
sometido al tratamiento térmico.
Figura 4.1 Microestructura del acero HSLA después del temple y revenido.
58
Para realizar la experimentación se cortó el material en placas de 100 mm x
100 mm aproximadamente, con un espesor de 14 mm pudiéndose apreciar el
esquema mostrado en la figura 4.2. Se realizaron uniones a traslape con las
placas, modificando los parámetros de soldadura en cada unión, obteniendo así
16 uniones, el esquema de las placas soldadas se puede observar en la figura
4.3.
Figura 4.2 Esquema de las placas a soldar.
Figura 4.3 Esquema de las placas unidas.
59
4.2 Unión de aceros HSLA 4.2.1 Soladura
El proceso de soldadura utilizado para soldar es GMAW con el electrodo
consumible ER70S-3, que es un micro alambre sólido de acero al carbono con
manganeso y silicio con protección superficial de cobre que previene la
oxidación y facilita la transferencia eléctrica en el material. Su combinación y
balance adecuado de manganeso y silicio le permiten emplearse en materiales
que se encuentren ligeramente oxidados (49). Las características del electrodo
se observan en la tabla 4.2.
Tabla 4.2 Características del electrodo ER70S-3 (49).
Propiedades Mecánicas bajo normatividad AWS
Resistencia a la Tensión
Esfuerzo de Cedencia
Elongación Resistencia la impacto
480 MPa 400 MPa 22 % 27 J a -20 ºC
Composición química (% e.p.) bajo normatividad AWS
C Mn S Si P Cu Ni Cr Mo V Fe
0.06 0.15
0.90 1.40
0.035 máx.
0.45 0.75
0.025 máx.
0.50 total
0.15 máx.
0.15 máx.
0.15 máx.
0.30 máx.
Balance
Parámetros de aplicación utilizados
Diámetro del alambre
Voltaje
Corriente
Protección CO2
1.14 mm (0.45”)
18 – 26 V
80 – 200 A
25 – 35 ft3 /hr.
4.2.2 Gases de protección Los gases protectores en soldadura tienen la función de impedir que la
atmosfera entre en contacto con el metal base y el metal de soldadura fundido,
proporcionando un entorno protector durante la soldadura, de esta manera se
obtienen uniones de calidad. En la experimentación para esta investigación la
60
mezcla de gases usada como protección para la soldadura es 90% Ar 10% CO2.
Esta combinación es regularmente usada en aceros al carbono y de baja
aleación ya que el CO2 ofrece mayor velocidad de soldadura, penetración más
profunda en la unión además de su bajo costo. Por otra parte se produce una
soldadura con excelente penetración, depósitos de soldadura muy íntegros
aunque las propiedades mecánicas pueden disminuir por la naturaleza oxidante
del arco (38).
4.2.3 Parámetros
La variación de los parámetros se realizó modificando la velocidad de
alimentación de alambre y el voltaje, se soldó en modo de corriente continua
electrodo positivo. En la tabla 4.3 se observa la variación de parámetros para la
experimentación.
Tabla 4.3 Parámetros de soldadura y calor aportado
Voltaje (V)
Corriente (A)
Velocidad de avance (mm/s)
Calor aportado (kJ/mm)
1 27 273 7.04 1.05 2 27 306 9.84 0.84 3 27 319 8.06 1.07 4 27 346 8.58 1.09 5 29 287 6.79 1.23 6 29 318 7.76 1.19 7 29 324 7.63 1.23 8 29 353 8.58 1.19 9 31 286 6.27 1.41 10 31 340 8.1 1.30 11 31 352 8.43 1.29 12 31 367 9.47 1.20 13 32 293 6.28 1.49 14 32 348 7.39 1.51 15 32 352 8.58 1.31 16 32 371 8.8 1.35
Para determinar el calor aportado se tomó en cuenta la siguiente fórmula:
61
Donde:
𝐻𝐻𝐼𝐼 = 𝑉𝑉𝑎𝑎 X 𝐼𝐼𝑠𝑠 𝑣𝑣𝑠𝑠
Ecuación 4.1
HI: calor aportado [kJ/mm]
Va: tensión de arco [V]
Is: corriente de soldadura [A]
Vs: velocidad de soldadura [m/s]
4.3 Extracción de muestras Después de haber soldado las placas es necesario extraer las probetas para
realizar la prueba de desgaste. En la figura 4.4 se muestra la fotografía y el
esquema de la figura 4.5, se pueden observar las medidas requeridas para
realizar la prueba.
Figura 4.4 Fotografía de la sección transversal de la unión a traslape de las probetas
Figura 4.5 Medidas de las probetas a extraer
62
4.4 Desgaste en los aceros HSLA 4.4.1 Ensayos tribológicos
Se realizaron pruebas de desgaste en las diferentes juntas soldadas,
buscando encontrar los parámetros con mayor efecto y relacionarlos con la
resistencia al desgate. Previamente a las pruebas de desgaste las probetas han
tenido un cuidado especial, realizando una preparación superficial, para
minimizar la influencia del acabo superficial de las probetas estudiadas en los
resultados obtenidos. Los parámetros del ensayo pin on disk utilizados para la
realización de las pruebas se muestran en la tabla 4.4
Tabla 4.4 Parámetros de la prueba pin on disk
Parámetro
Descripción
Carga 58.8 N
Velocidad de desplazamiento
200 rpm
Distancia 1000 m
Diámetro de la pista 9 mm
Tiempo de la prueba 1 ½ Hrs.
Condiciones Deslizamiento en seco a temperatura ambiente
El comportamiento del desgaste en la ZAC se estudió mediante la
realización de una serie de experimentos, donde el pin comienza en la
superficie donde se encuentra el metal de soldadura y continúa hasta que se
encuentra la ZAC. Los datos obtenidos en todas las etapas de los experimentos
se combinaron para obtener el comportamiento total del desgaste de la junta de
soldadura.
63
4.5 Caracterización metalográfica de las muestras
El análisis metalográfico se llevó acabo de acuerdo a la norma ASTM E3, la
cual indica los pasos a seguir (desbaste, pulido, limpieza, ataque químico y
microscopia óptica) para de la preparación metalográfica. El ataque previo a la
observación se realizó con Nital al 5%. Además las superficies desgastadas de
las probetas fueron estudiadas usando estereoscopio, microscopio óptico y
microscopio electrónico de barrido (50).
De una manera más detallada se analizó la huella de desgaste, por medio
del estereoscopio se midió el espesor de las huellas en zonas específicas,
también se realizaron observaciones específicas en algunas zonas de interés
por medio de microscopia óptica a lo largo de la huella de desgaste, esto para
cada una de las muestras obtenidas.
Siguiendo con el análisis de la huella de desgaste se analizan solo algunas
de las muestras por microscopio electrónico de barrido para conocer el
comportamiento del material en zonas específicas de la huella de desgaste. Al
mismo tiempo se realiza análisis químico y cuantitativo en ciertas zonas a lo
largo de la huella para ver el cambio que ocurre en el material y deducir su
comportamiento.
4.6 Mediciones de dureza en las muestras
Las mediciones de microdurezas se realizaron usando un microdurómetro
Wilson Hardness Tukon 2500, con una carga de 0.5 kg para la duración de la
identación de 10 s. Los perfiles de microdureza tuvieron lecturas en intervalos
de 0.3 mm a lo largo de una línea que pasa por las diferentes zonas de la junta,
como se muestra en la imagen 4.6. Las microdurezas de los cupones se
tomaron antes y después de los ensayos de desgaste.
64
Figura 4.6 Esquema del perfil de las durezas medidas, probeta 4.
65
CAPÍTULO 5
DISCUSIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS
Como se mencionó en el capítulo anterior, la experimentación consistió en
preparar 16 muestras, se soldaron con los parámetros antes establecidos, se
realizó un análisis metalográfico para cada una de las muestras, además se
llevó a cabo el ensayo desgaste con la prueba pin on disk y se tomaron
mediciones de durezas antes y después de dicho ensayo. Los resultados se
describen a continuación.
5.1 Resultados de la caracterización metalográfica
La microestructura del material base, consta de ferrita y perlita, es sometida
a los tratamientos térmicos temple y revenido para obtener martensita y así
controlar sus propiedades finales. Sin embargo al soldar el material la
microestructura se modifica por los ciclos térmicos experimentados durante el
proceso de soldadura y la composición química del material. Los cambios
térmicos experimentados en condiciones fuera del equilibrio generan diferentes
fases.
66
La temperatura aplicada genera estos cambios de fase, por medio de
soldadura, por lo tanto, producirá microestructuras de alta fragilidad en el
conjunto soldado. Por lo anterior es importante monitorear la entrada de calor
de la pieza en la operación de soldeo, todo esto para evitar microestructuras
frágiles que pudiesen poner en riesgo la integridad del elemento soldado.
El aporte térmico suministrado se utiliza para fundir el metal de aporte, fundir
parcialmente el metal base y el resto se transfiere a través del metal de
soldadura modificando la microestructura y propiedades mecánicas. Se realizó
el análisis metalográfico en el metal base, en la zona de fusión y en la zona
afectada por el calor. De la figura 5.1 a la 5.4 se exponen las microestructuras
de cada una de las muestras, a lo largo de las diferentes zonas de unión.
En la soldadura multipasadas se genera una zona afectada por el calor
(ZAC) de 4 regiones la transición de unas zonas a otras se realiza de forma
progresiva. La ZAC de grano grueso (ZAC GG) para una soldadura
multipasadas puede ser modificada por los pases subsiguientes y distribuidos
en cuatro subregiones dependiendo de la temperatura de recalentamiento. La
zona de grano grueso recalentado subcríticamente (GGSC), recalentada
debajo de la línea AC1. La zona de grano grueso recalentado intercríticamente
(GGIC), es la zona recalentada entre las líneas AC1 y AC3. La zona de grano
fino recalentado supercríticamente (GRSC), es la zona recalentada por encima
de la línea AC3 y por debajo de los 1200 ºC, zona inalterada de grano grueso
(GGIA), es la zona que no es recalentada por arriba de 200 ºC o la zona que se
recalienta de nuevo arriba de los 1200 ºC (51).
La descripción de constituyentes se hace conforme a las especificaciones
del Instituto Internacional de Soldadura, IIW (43). El cordón de soldadura la
cristalización típica columnar, con estructura general del tipo Widmanstatten. La
zona estructural 1, se caracteriza por la presencia de una estructura de perlita
fina. El calentamiento alcanzado en la zona 2, inferior al de la zona 1, conduce
67
a una austenización incompleta. Esta zona se caracteriza por la presencia de
una estructura mixta de perlita y ferrita junto con martensita fuertemente
revenida. La zona 3 se caracteriza por la presencia de martensita en láminas.
La zona microestructural 4 presenta la descomposición de la martensita, se
observa lógicamente una descomposición mayor, debido a un calentamiento
más alto.
Las microestructuras observadas en la HAZ y en el metal de soldadura están
de acuerdo con reportes hechos anteriormente en aceros con composición
química similar (52). Una fase de perlita puede retener su dureza hasta una
temperatura de 700 ºC, mientras que la dureza de la martensita comienza a
disminuir a alrededor de 200 ºC La dureza de la martensita contenida en la
microestructura se hace menor que la de la estructura ferrita- perlita a una
temperatura de 650 ºC (48).
La formación de nuevas fases a lo largo de la unión de los acero HSLA,
consecuencia de los ciclos térmicos experimentados durante el proceso de
soldadura multipasadas, conduce a diferentes comportamientos de desgaste en
las diferentes zonas de las juntas para cada muestra. Por lo que el
comportamiento al desgaste depende de las propiedades mecánicas otorgadas
por la microestructura presente en cada muestra, siendo la dureza una
propiedad importante para determinar el éxito a la resistencia al desgaste.
Además el fenómeno de desgaste causa también cambio en el material,
afectando su microestructura y con esto propiedades como dureza y tenacidad.
Los aceros HSLA experimentan endurecimiento por deformación, por tanto,
factores como la microestructura del material (por ejemplo, austenita retenida, la
dureza de la martensita), la cantidad y el tipo de la segunda fase, tensiones
internas, entre otros, pueden tener un impacto significativo en la resistencia al
desgaste.
68
Figura 5.1 Micrografías de las muestras, 1 a la 4.
69
Figura 5.2 Micrografías de las muestras, 4 a la 8.
70
Figura 5.3 Micrografías de las muestras, 9 a la 12.
71
Figura 5.4 Micrografías de la muestra, 13 a la 16.
72
5.2 Resultados de ensayos de desgaste pin on disk
El coeficiente de fricción tiene una tendencia similar para todas las muestras
durante los ensayos de desgaste, sus valores oscilan de entre 0.15 y 0.3,
dependiendo de cada muestra, en la figura 5.5 se muestra el coeficiente de
fricción en función de la distancia recorrida comparando algunas de las
muestras ensayadas. Al analizar el comportamiento del coeficiente de fricción
se observa que existen zonas de oscilación, lo cual indica que hay un aumento
en la fuerza de fricción durante del ensayo provocando un aumento en la tasa
de desgaste. La caída de la fuerza de fricción, asociada a una caída de la carga
nominal, induce un deslizamiento brusco caracterizado por una secuencia de
series de saltos que provocan una huella de desgaste no uniforme.
Figura 5.5 Coeficiente de fricción durante los ensayos de desgaste.
Los datos obtenidos en la experimentación de desgaste, resumidos en la
tabla 5.1, se combinaron para obtener el comportamiento total en el desgate de
la junta, el pin comienza donde se encuentra el material de soldadura y continua
hasta que se encuentra la ZAC, el coeficiente de desgaste se determina a partir
de la pérdida de masa de los cupones.
73
Tabla 5.1 Resultados del ensayo Pin on Disk.
No Masa Perdida (g)
Densidad (g/cm3)
Volumen material perdido
(cm3)
Coeficiente de desgaste
K(mm3/N.m) 1 0.0268 6.701697015 3.998987113 0.0000680100 2 0.0298 7.410376773 4.021387969 0.0000683910 3 0.0225 7.217504151 3.117421138 0.0000530174 4 0.0227 7.12855079 3.184377957 0.0000541561 5 0.0262 6.099745503 4.295261169 0.0000730487 6 0.0358 6.720103427 5.32729896 0.0000906003 7 0.0332 7.594296168 4.371702033 0.0000743487 8 0.0142 7.150608223 1.985845058 0.0000337729 9 0.037 6.609283406 5.598186327 0.0000952073 10 0.0184 5.689725899 3.233899194 0.0000549983 11 0.0169 6.387386807 2.645839451 0.0000449973 12 0.0312 6.812424938 4.579866976 0.0000778889 13 0.0264 6.906022662 3.822750271 0.0000650128 14 0.0386 6.562721368 5.881706359 0.0001000290 15 0.0191 7.923868305 2.410438849 0.0000409939 16 0.0294 6.683119564 4.399143202 0.0000748154
De los datos de la tabla 5.1 se deriva la figura 5.6 que muestra por medio de
una gráfica comparativa los resultados de desgaste en todos los cupones, aquí
se observan las probetas con máximo y mínimo desgaste determinado por el
coeficiente de desgaste k.
Figura 5.6 Resultados del desgaste en cupones ensayados.
74
El comportamiento de desgaste de las probetas es diferente por la variación
en los parámetros de soldadura, la probeta que presenta el valor más alto de
coeficiente de desgaste es la número 4 con los parámetros de soldadura de 27
V, 346 A, 8.58 mm/s y con un calor de entrada 1.09 kJ/mm. Mientras que la
probeta 8 presenta el nivel más bajo en cuanto a coeficiente de desgaste, con
los parámetros de soldadura de 29 V, 353 A, 8.58 mm/s y con un calor de
entrada de 1.19 kJ/mm; por lo que es considerada con el mejor comportamiento
de resistencia al desgaste de las pruebas ensayadas.
5.3 Resultados del análisis superficial de la huella de desgaste
La huella de desgaste formada durante el ensayo pin on disk, otorga como
ya se mencionó información importante sobre los mecanismos de desgaste que
ocurren durante dicha prueba, estas huellas tienen rasgos específicos como
rayas, grietas o extrusiones. Por lo anterior se observaron las muestras por
medio de microscopio óptico y microscopio óptico de barrido para intentar
clasificar el tipo de desgaste presente.
Con la ayuda de un estereoscopio se determinó el tamaño y la forma de las
huellas de desgaste, además de identificar zonas específicas para analizar a lo
largo de la huella. Estos detalles se observan en las figuras de la 5.7 a la 5.9,
observando las medidas cuatro puntos de la huella, además de mostrarse una
micrografía de una zona específica de la huella, de la muestra 2, muestra 4 y
muestra 8. Exponiendo que la huella de desgate evoluciona tanto en el ancho
como en la profundidad de desgaste conforme a la distancia de deslizamiento.
75
Figura 5.7 Medidas de la huella de desgaste, muestra 2.
Figura 5.8 Medidas de la huella de desgaste, muestra 4.
Figura 5.9 Medidas de la huella de desgaste, muestra 8.
76
Por otra parte se empleó el MEB también para analizar la huella de
desgaste, solo en algunas muestras. En las figuras 5.10 y 5.11 se exponen la
muestra 2 y la muestra 15 respectivamente observando el perfil de la huella de
desgaste y se hace una recorrido por la misma destacando zonas de interés,
que revelan el comportamiento del material a lo largo de la prueba.
Figura 5.10 Perfil de la huella de desgaste por SEM, muestra 2.
Figura 5.11 Perfil de la huella de desgaste por SEM, muestra 15.
77
Se seleccionó la muestra 4 para análisis químico y cuantitativo, en diversas
zonas específicas, en la figura 5.12 se pueden ver los resultados de estos
análisis para la zona afectada por el calor. Se puede ver la huella de desgaste
en la ZAC. El espectro EDS corresponde figura 5.12 a) corresponde a la huella
de desgaste observando un incremento en el contenido de carbono C, además
de observar alto contenido de manganeso Mn en comparación con la ZAC por
donde no pasa el pin durante la prueba de desgaste, figura 5.46. Esto de
acuerdo al análisis cuantitativo realizado.
Figura 5.12 Superficie desgastada de la muestra 4. a) Espectro EDS correspondiente a la huella y b) ZAC.
5.4 Resultados de ensayos de dureza Las diferentes regiones de la ZAC tienen diferentes grados de dureza,
dependiendo de la composición química del material base y la entrada de calor
en la soldadura entre otros factores. La medición de la dureza se realizó en un
sección transversal de la articulación utilizando el método de Vickers. Las
superficies expuestas al desgaste tiende a desarrollar endurecimiento por
trabajo por lo que se tomaron las mediciones de dureza de las diferentes zonas
de la junta (metal base, ZAC, zona de fusión) antes y después del ensayo de
78
desgaste. Comparando de esta manera la dureza en las probetas se puede
observar el grado de endurecimiento por deformación.
En la figura 5.13 se observan los valores de dureza de las muestras
soldadas, antes y después del desgaste. En general se puede observar que en
cada muestra la dureza tiende a subir en algunas zonas después del ensayo de
desgaste, comprobando así el endurecimiento por deformación como lo han
estudiado algunos autores (44). Sin embargo, en algunas probetas hay zonas
en las que la dureza es alta aun después de la zona de desgaste, esto se debe
a que las durezas medidas no corresponden por donde pasa el pin,
conservando así el valor alto en durezas, además hay que recordar que por los
diferentes parámetros de soldadura en algunas probetas existe entrada de calor
diferentes, modificando su microestructura y por lo tanto las propiedades.
Los ensayos también revelaron que los valores más altos de dureza están
en el metal base mientras que los valores más bajos de dureza se encuentran
en la zona de fusión. La diferencia de valores de dureza se relaciona con las
microestructuras encontradas en cada zona, como la martensita en el metal
base con alta dureza, mientras que en la zona de fusión experimenta un cambio
microestructural por la entrada del calor del proceso de soldadura
encontrándose microestructuras con menos dureza y mayor ductilidad, como
ferrita columnar. Mientras que los valores de dureza están por debajo en el
metal base y por encima en la zona de fusión, ya que aquí existe una
combinación de microestructuras como martensita, perlita, ferrita y bainita
debido al proceso multipasadas empleado para unir estos aceros.
79
Figura 5.13 Comportamiento de la dureza a) antes y b) después del ensayo de desgaste,
de las 16 uniones realizadas.
En el análisis de manera particular se puede observar mejor el
comportamiento de las durezas a lo largo de la unión. Analizando a
continuación los cambios más significativos.
Los valores obtenidos de la muestra 3 se observan en la figura 5.14, con un
comportamiento homogéneo. Con valores bajos en la zona de fusión, valores
relativamente altos en el metal base y valores medios en la ZAC. Además los
80
valores de dureza obtenidos después de la prueba de desgaste tienen un
incremento respecto a los valores de dureza medidos antes del desgaste.
Figura 5.14 Comportamiento de la dureza antes y después del ensayo de desgaste.
Para la muestra 5 se observa en la figura 5.15 que los valores obtenidos
después del ensayo de desgaste son más altos, además el comportamiento de
la dureza es homogéneo a lo largo de la unión.
Figura 5.15 Comportamiento de la dureza antes y después del ensayo de desgaste.
Los valores de las durezas en la muestra 6 tiene un comportamiento
homogéneo a lo largo de la unión, sin embargo se puede observar en la figura
81
5.16 , que el comportamiento antes y después del ensayo de desgaste deja ver
que los valores obtenidos en el metal base, ZAC zona 1 y zona 2 (parte
izquierda) y ZAC zona 4, zona 3 y metal base (lado izquierdo) son más altos
antes del desgaste.
Figura 5.16 Comportamiento de la dureza antes y después del ensayo de desgaste.
En la muestra 7 se observan que la mayoría de los valores de dureza son
más altos después de la prueba de desgate que antes, según la figura 5.17. En
los valores obtenidos antes del desgate el comportamiento se observa con más
homogeneidad que en los valores obtenidos después del desgaste.
Figura 5.17 Comportamiento de la dureza antes y después del ensayo de desgaste.
82
En la figura 5.18 se observa la muestra 9 donde valores más altos son
después del desgaste teniendo diferencia significativa en comparación con los
valores obtenidos antes del ensayo de desgate, sin embargo el comportamiento
a lo largo de las zonas es variado.
Figura 5.18 Comportamiento de la dureza antes y después del ensayo de desgaste.
En la figura 5.19 se observa la muestra 15, que tiene un incremento de
dureza considerable a la largo de la unión después del ensayo de desgaste, el
comportamiento a lo largo de la zonas antes del desgate es homogéneo, sin
embargo el de después de desgate tiene unas mediciones muy altas en la ZAC
en comparación con el metal base.
Figura 5.19 Comportamiento de la dureza antes y después del ensayo de desgaste.
83
CAPÍTULO 6
CONCLUSIONES
• Durante el proceso de soldadura, es importante cuidar los aspectos
térmicos relacionados con el mismo ya que el comportamiento mecánico
de las piezas resultantes se ve fuertemente afectado por las
temperaturas alcanzadas en la zona de unión. Determinando que ciertos
factores como técnica de soldeo empleada, el espesor de las piezas de
partida y las propiedades del metal base, la cantidad de calor generado
durante el desarrollo del proceso tendrá influencia sobre la zona de
unión. Las modificaciones provocadas en la microestructura del material
de trabajo, pueden dar lugar a defectos en las uniones soldadas y la
alteración del comportamiento mecánico.
• Para la resistencia en las uniones soldadas es importante conocer la
dureza y acumulación de tensiones en el cambio de sección entre el
cordón y el material base. Esto se traduce en que esta zona se convierte
en la más desfavorable para resistir los esfuerzos, ya que frente a
sobreesfuerzos e impactos, toda la estructura se deformará
84
elásticamente excepto la estrecha franja junto al cordón que será
susceptible de deformación plástica por su menor límite elástico.
• Los mecanismos de desgaste observados son los desgastes por
abrasión, por fatiga y por oxidación El desgaste por abrasión se ha
caracterizado por el corte que originan la deformación plástica de la
superficie desgastada. La observación de micro grietas nos informa de la
presencia del desgaste por fatiga mientras que la presencia de óxidos en
la superficie desgastada y en la viruta muestran la aparición del desgaste
por oxidación.
• Los resultados obtenidos para los ensayos de desgaste se han
relacionado con la dureza de las diferentes zonas y con su
microestructura. Las subzonas de una unión soldada que presente
diferentes microestructuras muestran diferencia en el coeficiente de
desgaste, además de presentar variación en las durezas medidas. Por lo
tanto la diferencia entre los valores de dureza antes y después de un
ensayo de desgaste (bajo condiciones idénticas) depende de su
naturaleza.
• El valor más alto de coeficiente de desgaste es para la muestra 4 con los
parámetros de soldadura de 27 V, 346 A, 8.58 mm/s y con un calor de
entrada 1.09 kJ/mm. Mientras que la probeta 8 presenta el nivel más bajo
en cuanto a coeficiente de desgaste, con los parámetros de soldadura de
29 V, 353 A, 8.58mm/s y con un calor de entrada de 1.19 kJ/mm; por lo
que es considera con el mejor comportamiento de resistencia al desgaste
de las pruebas ensayadas.
85
RECOMENDACIONES PARA TRABAJOS FUTUROS
Las recomendaciones para trabajos futuros para estudio de desgaste en
placas de acero HSLA:
• Existe una gran variedad de aceros utilizados a la industria de la
maquinaria pesada, es recomedable realizar ensayos de desgaste en
dichos materiales previamente soldados para conocer el comportamiento
ante este fenomeno, pudiendo incluir uniones de materiales disimiles.
• Tomar en cuenta el espesor de la placa a estudiar, asi como la geometria
de la probeta necesaria para los ensayos de desgaste. De esta manera
se facilitará el analisis de la zona a estudiar delimitandose solo a esa
zona en particular.
• Obtener un perfil de dureza de acuero a la zona a estudiar a diferentes
profundidades.
86
LISTADO DE TABLAS, FIGURAS Y ECUACIONES.
Figura 2. 1 Plano inclinado para determinar el coeficiente de fricción.
Figura 2. 2 Tipos de acciones mecánicas sobre los materiales.
Figura 2. 3 Mecanismo de desgaste adhesivo.
Figura 2. 4 Mecanismo de desgaste fatiga.
Figura 2. 5 Mecanismo de desgaste erosivo.
Figura 2. 6 Mecanismo de desgaste fretting.
Figura 2. 7 Mecanismo de desgaste abrasivo.
Figura 2.8 Desgaste de las superficies superiores de Hardox 400.
Figura 2.9 Aspecto típico de desgaste.
Figura 2.10 Secciones pulidas, vistas por microscopía óptica.
Figura 2.11 a) Área aparente, b) Área real en la superficie de contacto.
Figura 2. 12 Clasificación de las aleaciones férreas.
Figura 2.13 Microestructuras ópticas a) acero con Nb, b) acero con Ti y c) acero
con Ti +V.
Figura 2.14 a) Perfil de temperatura en un ciclo de temple y revenido.
Figura 2.15 Resistencia al desgaste contra porcentaje de carbono dureza.
Figura 2.16 a) Dureza, b) Tenacidad y c) Resistencia al desgaste
Figura 2.17 Proceso de soldadura por arco de metal y gas, GMAW.
Figura 2.18 Los componentes básicos del equipo GMAW.
Figura 2.19 Relación entre la forma del cordón y la corriente.
Figura 2.20 Relación entre la forma del cordón y el voltaje
87
Figura 2.21 Terminología de soldadura por arco de metal y gas
Figura 2.22 Zonas formadas después de la soldadura.
Figura 2.23 Reblandecimiento del metal base.
Figura 2.24 El crecimiento del grano en HAZ
Figura 2.25 Efecto de la entrada de calor por unidad de longitud.
Figura 2.26 de acero al carbono de soldadura: (a) HAZ; (b) fases (26).
Figura 2.27 Microestructuras características de diversas zonas.
Figura 2. 28 Pruebas realizadas a) Pin on disc, b) Paddle wear.
Figura 2. 29 Resultados de desgaste y dureza obtenidos para cada acero
Figura 2.30 Microestructuras de un acero HSLA
Figura 3. 1 Metodología Propuesta.
Figura 3.2 Prueba de desgaste por deslizamiento Pin on Disc.
Figura 4.1 Microestructura del acero HSLA templado y revenido.
Figura 4.2 . Esquema de las placas a soldar
Figura 4.3 Esquema de las placas unidas
Figura 4.4 Fotografía de las Medidas de las probetas a extraer
Figura 4.5 Medidas de las probetas a extraer
Figura 4.6 Esquema del perfil de las durezas medidas, probeta 4.
Figura 5.1 Micrografías de las muestras 1 a la 4.
Figura 5.2 Micrografías de las muestras 4 a la 8.
Figura 5.3 Micrografías de las muestras 9 a la 12.
Figura 5.4 Micrografías de las muestras 13 a la 16.
Figura 5.5 Coeficiente de fricción durante los ensayos de desgaste.
Figura 5.6 Resultados del desgasten los cupones ensayados.
Figura 5.7 Medidas de la huella de desgaste, muestra 2.
Figura 5.8 Medidas de la huella de desgaste, muestra 4.
88
Figura 5.9 Medidas de la huella de desgaste, muestra 8.
Figura 5.10 Perfil de la huella de desgaste por SEM, muestra 2.
Figura 5.11 Perfil de la huella de desgaste por SEM, muestra 15.
Figura 5.12 Superficie desgastada de la muestra 4
Figura 5.13 Comportamiento de la dureza antes y después del desgaste.
Figura 5.14 Comportamiento de la dureza antes y después del de desgaste.
Figura 5.15 Comportamiento de la dureza antes y después del desgaste.
Figura 5.16 Comportamiento de la dureza antes y después del desgaste.
Figura 5.17 Comportamiento de la dureza antes y después del desgaste.
Figura 5.18 Comportamiento de la dureza antes y después del desgaste.
Figura 5.19 Comportamiento de la dureza antes y después del desgaste.
Tabla 2.1 Ventajas y limitaciones del proceso GMAW
Tabla 2. 2 Especificaciones de la AWS para los metales de aporte.
Tabla 3.1 Diseño de experimentos.
Tabla 3.2 Parámetros de la prueba.
Tabla 4.1 Composición química
Tabla 4.2 Características del electrodo ER70S-3 (33)
Tabla 4.3 Parámetros de soldadura y calor aportado
Tabla 4.4 Parámetros de la prueba
Tabla 5.1 Resultados del ensayo Pin on Disc.
Ecuación 2.1 Coeficiente de fricción
Ecuación 2.2 Calor aportado
Ecuación 3.1 Perdida de masa
Ecuación 3.2 Tasa de desgaste
Ecuación 3.3 Coeficiente de desgaste
Ecuación 4.1 Calor aportado
89
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