PRÁCTICA Nº 2: DESGASTE POR ABRASION EN MATERIALES

I. RESUMEN:

En la siguiente práctica se desea evaluar el desgaste a la abrasión que sufre un material

cerámico (refractario), un polímero (resina) y un metal utilizando una maquina de

desgaste por abrasión la que consiste en hacer caer arena sobre una probeta a una

velocidad determina durante 45minutos. Realizado el ensayo observar la pérdida de

peso de cada material y comparar los resultados.

II. OBJETIVOS:

II.1. Determinar el desgaste por abrasión de diferentes materiales tales como: cerámico

(refractario), un polímero (resina) y un metal, utilizando el método gravimétrico.

II.2. Comparar la resistencia al desgaste por abrasión de los distintos materiales

ensayados.

III. FUNDAMENTO TEORICO

III.1. DESGASTE:

El desgaste es el daño producido por el rozamiento entre dos superficies, en al

menos una de ellas. Esta pérdida de material conlleva a pérdidas en las

dimensiones de las piezas con la consecuente disminución de la vida útil de

cualquier máquina. En función del tipo de material, el desgaste presenta tres

comportamientos tal y como se observa en la figura 01.

Fig. 01: Comportamientos de desgaste. [5]

En el comportamiento tipo (I), el volumen desgastado es proporcional a la

distancia de deslizamiento. En el comportamiento tipo (II), típico de los metales,

se inicia con un alto nivel de desgaste para posteriormente disminuir

drásticamente. En el comportamiento tipo (III), presente en materiales frágiles, se

inicia con un comportamiento muy resistente al desgaste y a partir de una cierta

distancia, disminuye drásticamente. [5]

III.2. DESGASTE ABRASIVO

La Norma ASTM G40-92 define el desgaste abrasivo como la pérdida de masa

resultante de la interacción entre partículas o asperezas duras que son forzadas contra

una superficie y se mueven a lo largo de ella. En la pérdida de material pueden

intervenir cuatro mecanismos de desgaste:

Fig. 02: Mecanismos de desgaste abrasivo.

El primer mecanismo, tal y como se muestra en la figura 2a, representa el modelo

clásico de microcorte donde una punta aguda o una aspereza de alta dureza corta

una superficie de menor dureza. El material de la superficie desgastada es sacado

mediante partículas. Cuando el material desgastado es frágil (Fig. 2b), como en el

caso de la cerámica, puede tener lugar la fractura de la superficie desgastada. En

este caso las partículas desgastadas son el resultado de la convergencia de distintas

microgrietas.

Cuando un material dúctil es desgastado el microcorte es improbable y la

superficie desgastada es deformada repetidamente tal y como se muestra en la

figura 2c. En este caso las partículas son el resultado del desgaste por fatiga. El

último mecanismo, Fig. 2d, representa el desgaste por desconche o pull-out. Este

mecanismo se presenta principalmente en cerámicas. [5]

El desgaste abrasivo se puede clasificar en:

Desgaste abrasivo de baja presión, que ocurre por deslizamiento de las partículas

moviéndose libremente por la superficie y las tensiones actuantes son bajas

Desgaste abrasivo por alta presión, cuando el abrasivo es atrapado entre dos

superficies de carga y el desgaste no es solo por penetración, sino también por

fractura de las partes frágiles y por deformación plástica de la matriz. Este tipo

de abrasión es característica de operaciones de trituración, pero también se

presenta como efecto secundario en numerosas aplicaciones metal sobre metal.

Desgaste abrasivo con impacto, el cual involucra la remoción de material por la

acción de un abrasivo cuyas partículas son de un tamaño apreciable e impactan

en la superficie bajo un ángulo determinado. La energía de impacto se transfiere

al material y hace que el abrasivo produzca grandes surcos y ralladuras

apreciables a simple vista. Este tipo de desgaste es más frecuente en el transporte

de minerales. [1]

III.3. MÁQUINA DE ENSAYO DE DESGASTE ABRASIVO:

Fig. 03: Máquina de ensayo por abrasión.

III.4. DESGASTE ABRASIVO EN REFRACTARIOS

Los ladrillos refractarios no se someten a esfuerzos mecánicos solo con la pura

presión de carga, sino también con el ataque abrasivo producido por el material del

horno que se desliza lentamente en la mampostería de altos hornos, hornos de cuba,

cámaras de coque, hornos rotativos, cámaras de combustión y similares y por el

efecto de choque de los gases que en su paso rápido llevan finas partículas sólidas.

Por lo tanto, no basta la resistencia a la compresión en frío para caracterizar el

desgaste de los ladrillos. A modo de criterios generales diremos que un material

refractario tendrá más resistencia al desgaste por abrasión si se verifica:

1. Que la cohesión entre el componente disperso y la matriz sea lo más elevado

posible lo que implica la obtención de materiales de elevada densidad.

2. Que el tamaño del constituyente disperso sea fino y de morfología granular.

3. Que la temperatura de cocción, para un determinado componente matriz, sea lo

más elevado posible.[3]

Tabla 01: Resistencia a la abrasión por máquina rectificadora y por chorro de arena.

III.5. ENSAYOS FRECUENTES:

Un ensayo frecuente para cuantificar la resistencia al desgaste consiste en hacer

incidir sobre una probeta refractaria durante un tiempo determinado una corriente de

finas partículas abrasivas (ejemplo: corindón) a través de flujo de aire de alta

velocidad

Se determina la pérdida de peso que experimenta la probeta refractaria.

Otro ensayo sería medir el desgaste lineal producido sobre tres caras de dos probetas

cúbicas de los materiales refractarios.

Para la ejecución del ensayo descrito en esta norma, será necesaria una máquina de

tipo especial, apta para este ensayo y que reunirá las características siguientes:

a) Dispondrá de una pista de rozamiento de radio mínimo interior de 25 cm y de

radio mínimo exterior de 40 cm capaz de girar a una velocidad mínima relativa

de 1 m/s, referido al centro de la probeta.

b) Constará de dos portaprobetas, solidarios a sendos ejes deslizantes y

diametralmente opuestos sobre el bastidor, que estarán centrados sobre la

circunferencia media de la pista de rozamiento

c) Poseerá un dispositivo mediante el cual se pueda comprimir la probeta entre los

platos con una presión de 0,0588 MPa.

d) Tendrá otros dispositivos que permitan verter abrasivo y agua en las superficies

de rozamiento.

e) Dispondrá así mismo de un contador de vueltas.

Se tomará como resultado definitivo la media aritmética de los desgastes lineales de

cada una de las dos. [4]

Fig. 04: Equipo de medida para la determinación de la abrasión superficial.

Otro método para determinar el valor de la resistencia a la abrasión se basa en la huella

producida en la cara vista del material al ser sometida al rozamiento de un disco de

acero y material abrasivo a una velocidad de 75 r.p.m. durante un minuto (Figura 7)

Fig. 05: Esquema de ensayo de desgaste por abrasión.

IV. MATERIALES, EQUIPOS e INSTRUMENTOS

IV.1. Materiales

- Arena (sílice) con granulometría definida. (Entre mallas Nº 60 - 230)

- Sierras manuales.

- Muestras

Cerámicas (refractario)

Polimérica (Resina)

Metálica

- Accesorios: Brochas, Recipientes herméticos, Toallas pequeñas o paños,

extensión.

- Cronometro

IV.2. Equipos

- Máquina de desgaste por abrasión con chorro de arena - ABRASIMETRO (EN

ISO 10545 - 7)

- Balanza Analítica (3kg, ±0.01gr)

IV.3. Instrumentos

- Tamiz Nº 60,230,malla ciega y tapa

- Vernier (pie de Rey, ±0.05mm)

- Escuadras y reglas graduadas (±0.05mm)

V. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

V.1. Observar que el equipo de ensayo de desgaste abrasivo este en buenas

condiciones para ensayar.

V.2.Tamizar arena gruesa hasta obtener arena fina utilizando la malla

60, 230 y malla ciega. Utilizar la arena tamizada que pase la

malla 230, eliminar lo que quede sobre la malla 60 y la malla

ciega.

V.3.Determinar el peso inicial (Wi) y las medidas de la muestra a

ensayar (probetas de metal, polímero y refractario)

V.4.Ubicar la probeta a ensayar en la en la ranura correctamente

para evitar errores de calculo, conforme va cayendo la arena se

tamiza y se vierte nuevamente en la tolva.

V.5.Dejar fluir arena por caída libre a una velocidad promedio de 1094

gr/min, el proceso de exposición estará dado en los tiempos de 45

minutos por probeta. Al final de cada intervalo de tiempo, pesar las

probetas y obtener un peso final (Wf)

V.6.Con los datos obtenidos Calcular el Porcentaje de Desgaste

abrasivo.

6 mm

75 mm

25 mm

Fig. 06: Equipo de ensayo de desgaste abrasivo.

(a) (b)

Fig. 07: (a) Esquema de la probeta de ensayo, (b) Esquema de una máquina de desgaste y

mecanismo de abrasión con chorro de arena.

Anemómetro

Ventilador

Adobe amarillo

VI. RESULTADOS

Tabla 02: Datos experimentales y porcentaje de desgaste.

Probeta Peso inicial (g) Peso final (g) % de Desgaste

Metal 105.56 105.53 0.028

Resina (Poliéster) 14.86 14.62 1.620

Refractario 18.41 18.35 0.330

Fig. 08: Probetas ensayadas, muestran el desgaste ocasionado por la abrasión de

partículas duras, de izquierda a derecha: probeta metálica, probeta de material

refractario y probeta de resina.

Metal Resina Refractario0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

1.80

Series1

Tipo de Material

% d

e De

sgas

te

Grafico 01: Comparación de los porcentajes de desgaste de los diferentes tipos de

materiales ensayados durante 45 minutos.

VII.DISCUSION DE RESULTADOS

En el grafico 01, se observa que el material con mayor porcentaje de desgate por

abrasión en un tiempo de ensayo de 45 minutos, es la resina, la cual sufre mayor

deterioro de su superficie debido a la abrasión de las partículas de arena.

El deterioro de la superficie por abrasión de la probeta de resina se debe

esencialmente al tipo de enlaces (iónicos y covalente) que presenta este tipo de

material, la cual genera que el desgaste por abrasión sea representativo.

De igual modo observamos que el material de menor porcentaje de desgaste es el

metal (muelle de carro). Debido a que el tipo de enlace que presenta es de tipo

metálico.

VIII. CONCLUCIONES Y RECOMENDACIONES

VIII.1.Conclusiones

- Se logró determinar el desgaste por abrasión de un refractario, una resina y un

metal, utilizando el método gravimétrico.

- Se logró comparar la resistencia al desgaste por abrasión de los distintos materiales

ensayados, observando que el metal es el que resiste mejor a la abrasión y la resina

sufre un mayor desgaste.

VIII.2. Recomendaciones

- Las probetas tienen que estar lijadas y bien limpias antes y después del ensayo

para tener un peso exacto.

- La arena que se agrega a la tolva debe que ser cernida para evitar que partículas

más grades queden atrapadas en la manguera de salida e interrumpan el ensayo.

- Ubicar correctamente la probeta en la maquina de ensayo para que el material

utilizado se desgaste uniformemente.

- Mantener llena la tolva para que la velocidad de salida de la arena sea constante.

IX. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

[1] “ Resistencia al Desgaste por Abrasión” [Online]de http://www. hormigone

special.com/publicaciones/pdf-5.pdf. Consulta (20 de junio del 2011)

[2] “Desgaste de Materiales” [Online] http:// www.ut p.edu.co /~dh mesa / pdfs /

desgaste.pdf. Consulta (20 de junio del 2011)

[3] “Resistencia al Desgaste” [Online] http:/ /www.m onografias. com/trabajo

s15 / hierros-aleados/hierros-aleados.shtml. Consulta (20 de junio del 2011)

[4] “Materiales REfractarios” [Online] http:/ /www. etsimo .uniovi .es/usr/ fblanco

/ Leccion..Refractarios.PropiedadesMECANICAS.pdf. Consulta (20 de junio

del 2011)

[5] “Comporatmiento al desgaste por deslizamiento en aceros” [Online]

http://upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/9210/1/PFC%20Jordi

%20Renedo.pdf Consulta (20 de junio del 2011)

X. ANEXOS

Foto 01: A la izquierda observamos una probeta lisa sin ensayar, ala derecha observamos

arena dentro de la tolva.

Foto 02: A la izquierda observamos una probeta ensayada, a la derecha observamos el

pesado inicial y final de la probeta.

Foto 03: Desgaste abrasivo de la probeta de material refractario.

Foto 04: Desgaste abrasivo de la probeta de resina.

Cálculos experimentales:

Porcentaje de desgaste:

%Desgaste=Wi−WfWi

∗100

Desgaste en probeta de Metal:

%Desgaste=105.56−105.53105.56

∗100=0.028

Desgaste en probeta de resina:

%Desgaste=14.86−14.6214.86

∗100=1.62

Desgaste en probeta de material refractario:

%Desgaste=18.41−18.3518.41

∗100=0.33

Foto 05: Desgaste abrasivo de la probeta de metálica.

Foto 06: Pesado de probetas.