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Facultad de Ingeniería Mecánica
Centro de Investigaciones de Soldadura
TRABAJO DE DIPLOMA
Título: Construcción de una máquina para ensayos de desgaste abrasivo.
Autor: Javier Jesús González Valdueza Tutores: Dr. Amado Cruz Crespo Dr. Arnaldo Herrera Artiles Curso: 2012-2013
Resumen
En el trabajo se abordan las particularidades de la abrasión como mecanismo fundamental de
desgaste de componentes, enfatizando en las vías y aleaciones empleadas para
contrarrestarlo y los diferentes tipos de ensayos que se realizan para evaluar el desgaste
abrasivo de acuerdo con las norma ASTM. Se presenta un análisis preliminar para la
fabricación de una máquina para ensayos de desgaste abrasivo con arena seca y mojada,
basado en las particularidades de las normas ASTM G-65 y ASTM G-105 y las circunstancias
específicas del Centro de Investigaciones de Soldadura. Se detalla la fabricación de los
componentes esenciales de la máquina, su montaje y su validación mediante un ensayo en
probetas de acero. Se presenta una técnica operatoria para la realización de ensayos con la
máquina construída.
Abstract
In the work we address the particularities of abrasion as a fundamental mechanism of wear of
components, emphasizing the ways and alloys used to counter it and the different types of tests
are performed to evaluate the abrasive wear according to the ASTM standard. We present a
preliminary analysis for the manufacture of a machine for abrasive wear tests with dry sand and
wet, based on the characteristics of the ASTM G-65 and ASTM G-105 and the specific
circumstances of the Welding Research Center. Manufacturing details the essential
components of the machine, assembly and test validation by steel samples. We present a
surgical technique for testing the machine built.
Introducción
El desgaste constituye la principal causa de salida de servicio de componentes mecánicos,
llevando a grandes pérdidas por sustitución o recuperación de componentes y a pérdidas por
paradas para la reparación (Morales, 2006). Se destaca por su mayor efecto negativo el
desgaste abrasivo, el cual está presente en un amplio número de sectores, como la agricultura,
el sector azucarero, la minería, la construcción, entre otros (Venancio, 2007; Portal, 2009,
Águila, 2012 y Abreu, 2012). De ahí la importancia que reviste la adecuada comprensión y
valoración del desgaste abrasivo con el propósito de atenuarlo en la medida de lo posible en
componentes bajo condiciones de trabajo concretas.
Dentro de los métodos para reducir el desgaste abrasivo, la aplicación de revestimientos ha
despertado gran interés debido a las grandes ventajas técnicas y económicas presentadas
(Portal, 2009; Abreu, 2012). La aplicación de materiales de recargue permite reducir el precio
de los elementos constructivos (Cedré, 1999, CIME, 1996).
El recargue no sólo está ligado al mantenimiento, actualmente se utiliza para trabajos de
fabricación de nuevas herramientas y componentes. Mediante este proceso de fabricación,
podemos utilizar como material base un acero no aleado o débilmente aleado y prepararlo para
trabajar bajo condiciones de desgaste, corrosión, a través de un recargue apropiado y
específico.
Un factor decisivo para realizar un recargue con éxito, es el conocimiento de las condiciones
de desgaste a las cuales estará sometida la pieza. Estos condicionamientos serán los que nos
dirán el consumible apropiado. Además, debido a los posibles tratamientos térmicos (pre/post
soldadura), debe tenerse en cuenta la composición química del material base.
En algunos casos, la pieza puede estar sometida a varios factores. No existe el consumible que
resista todas las condiciones de trabajo, pero en la práctica siempre podremos encontrar una
solución apropiada desde el punto de vista técnico-económico (Cedré, 1999).
En el volumen total de las aleaciones para revestimientos duros, el sistema Fe-C- Cr se hizo
representar con aproximadamente 50 %, teniendo una gran aplicación para contrarrestar varios
tipos de desgaste, tales como metal- metal, abrasión y erosión , siendo usados, en particular,
en aplicaciones que requieren elevada resistencia a la abrasión, asociada a una gran tenacidad
(Morales, 2006). En el caso específico de la soldadura, que es un proceso utilizado en la
mayoría de las aplicaciones de revestimientos duros, el 80 % de los consumibles utilizados
para este tipo de aplicación se encuentran en la categoría de los hierros fundidos blancos de
alto cromo (AWS A5.13, 2000).
Si bien es cierto que en muchos casos prácticos se asumen la composición química y la dureza
como criterios de partida para suponer el desempeño al desgaste abrasivo de los
componentes. Esto resulta de apenas una orientación preliminar, que se valida con solidez si
se realiza un ensayo de desgaste abrasivo que simule las condiciones de servicio del elemento.
Es por ello que se han desarrollado un conjunto de ensayos estandarizados que permiten
evaluar el desempeño al desgaste abrasivo de componentes (ASTM G 40, 2002; ASTM G 65,
2000; ASTM G 81, 1997; ASTM G 99, 2004; ASTM G 105, 2002; ASTM G 132, 1996; ASTM G
174, 2003). De estos ensayos normalizados para el desgaste abrasivo, el correspondiente a la
norma ASTM G 65, vinculado al desgaste abrasivo a baja tensión, constituye el más difundido,
ya que da un criterio bastante generalizado del desempeño, aplicable a la mayoría de los
componentes sometidos a desgaste abrasivo. Una versión de ensayo a baja tensión, que en
principio solo difiere en que el ensayo se realiza en ambiente húmedo, es la norma ASTM G
105.
El centro de investigaciones de soldadura desde sus inicios ha desarrollado trabajos de
investigación vinculados a la atenuación del desgaste abrasivo, siendo ejemplos recientes de
tales esfuerzos los trabajos de (Abreu 2012, Cruz-Crespo 2012, Fernández 2012). Paralelo a la
investigación, la docencia de pregrado y posgrado del centro de investigaciones de soldadura
incluye asignaturas y cursos como Tribología, Recuperación de Piezas y Ciencia de los
Materiales, las cuales incluyen en sus contenidos temas vinculados al desgaste. Hasta el
momento, las investigaciones realizadas y la docencia non han contado con equipos para la
realización de ensayos de desgaste, por lo que ha sido necesario recurrir a variantes de
realización de los mismos en instalaciones fuera de la universidad (Cruz-Crespo 2012,
Fernández 2012) o la utilización de alternativas, como es el caso de la realización de ensayos
no estandarizados en el caso de la docencia (Cruz-Crespo 2013).
De lo planteado se hace evidente la necesidad de un laboratorio que cuente con equipos para
la realización de ensayos tribológicos en base a normas internacionales en el Centro de
Investigaciones de Soldadura. Dada las condiciones económico-financieras del país, no hay
otra alternativa que la fabricación de estos equipos con el esfuerzo conjunto de profesores,
técnicos y estudiantes, siendo la presente tesis de diploma un ejemplo de tales esfuerzos.
Hipótesis: Es posible la construcción de una máquina de ensayo, según las normas ASTM,
para la evaluación al desgaste abrasivo de materiales en las condiciones del Centro de
Investigaciones de Soldadura.
Objetivo general:
Construir y validar una máquina de desgaste abrasivo de baja tensión con arena seca y
húmeda que responda a las normas ASTM, para la evaluación de materiales en las condiciones
del Centro de Investigaciones de Soldadura.
Objetivos específicos:
Construir una máquina de desgaste abrasivo de baja intensidad que responda a las
normas ASTM.
Validar el desempeño de la máquina, mediante el ensayo de una probeta de acero.
Tareas fundamentales:
- Realización de una fundamentación teórica del trabajo, mediante un estudio del estado
del arte sobre el desgaste abrasivo.
- Análisis de las particularidades de los ensayos estandarizados por ASTM para la
realización del desgaste abrasivo.
- Fabricación de la máquina de desgaste abrasivo a baja tensión en base a las Normas
ASTM G-65 y ASTM G-105.
- Fabricación de un dispositivo para el recubrimiento del disco de acero de la máquina con
elastómero y aplicación del recubrimiento.
- Elaboración de probetas para ensayo de desgaste abrasivo.
- Realización del ensayo de desgaste
- Procesamiento y análisis de los resultados de ensayo obtenidos.
- Elaboración de la técnica operatoria para el empleo de la máquina construida.
Índice
Introducción…… …………………………………………………… …..1
Capítulo I. Fundamentos sobre el desgaste abrasivo
1.1 Generalidades sobre el desgaste ……………………………..………………………….. 4
1.2 El desgaste abrasivo..…………………………………………………………………4
1.3 Formas para enfrentar el desgaste abrasivo …………….………………………………11
1.3.1 El proceso de soldadura de recargue superficial para enfrentar el desgaste
abrasivo………………………………………….………………………………………………...11
1.3.1.1 Características de las aleaciones recomendadas para enfrentar condiciones de
desgaste abrasivo a baja presión……………………………………….…………………...13
Capítulo II. Ensayos de desgaste abrasivo
2.1 Ensayos de desgaste abrasivo………………………………………..………………….20
2.2 Ensayo de abrasión por arranque ..…………………………………...…………....20
2.3 Ensayo de abrasión a alta tensión……………...…..……………..…………………22
2.4 Ensayo de abrasión a baja tensión…………………………….…………………….24
Capítulo III. Construcción de la máquina de ensayo
3.1 Introducción……………………..…………………………………..…………….…….27
3.2 Análisis preliminar para la fabricación de la máquina de ensayo………………..27
3.3 Fabricación de la máquina de ensayo ………………………...……………………28
3.3.1 Fabricación del disco de goma………………………...…………..………………30
3.3.2 Fabricación del portamuestras………………………...…………..………………32
3.3.3 Boquilla para el suministro de arena…..……………...…………..………………33
3.3.4 Selección del motor y fabricación de la transmisión...…..………..……...………35
3.3.5 Fabricación de la estructura y ensamblaje de la máquina de ensayo ………….38
3.4 Validación de la máquina de ensayos construida...………..………..……………...40
3.5 Técnica operatoria para el ensayo de desgaste abrasivo con la máquina
construida……………………………………………………………………………..….42
Conclusiones…..……………………………………………………………..…………45
Recomendaciones..…………………………………………………………..…………….46
Bibliografía…….……………………………………………………………..……………...47
Capítulo I. Fundamentos sobre el desgaste abrasivo
1.1 Generalidades sobre el desgaste
Mientras que los resultados finales producidos por el desgaste son similares, las causas que
los producen son diferentes, por lo tanto es esencial entender los mecanismos involucrados
antes de realizar la selección del material de construcción para determinado elemento de
máquina o el procedimiento a utilizar para su reconstrucción (Morales, 2006;
http://www.soldadura.org.ar/main2007).
En la definición del tipo o mecanismo de desgaste y su magnitud inciden una serie de factores
que se pueden agrupar de la siguiente forma (Ochoa, 2006 ):
a. Condiciones de explotación o de operación: carga aplicada, velocidad, temperatura,
tipos de movimiento, tipo de fricción, recorrido de fricción, tiempo de trabajo, etc.
b. Características de los cuerpos en contacto: materiales, composición química, dureza,
dimensiones y forma, micro geometría superficial, microestructura, etc.
c. Características del medio: humedad, atmósfera corrosiva, presencia de partículas
abrasivas, propiedades de los lubricantes, etc.
Con respecto a los tipos de mecanismos de desgaste, diferentes autores aprecian el estudio de
los fenómenos de desgaste en dependencia de criterios propios, presentándose generalmente
distintos esquemas de clasificación, siendo muy común encontrar la que los divide entre
abrasión, adhesión, corrosivo-mecánico, fatiga superficial y cavitación (Ochoa 2006;
http://www.soldadura.org.ar,2007; Cedré, 1999, Cruz 2012).
1.2 El desgaste abrasivo
Según plantea la literatura (Dulón, 2003), los componentes del sector azucarero son
afectadas principalmente por el desgaste abrasivo como mecanismo principal en sus zonas de
trabajo. De igual modo, este es el mecanismo fundamental de desgaste en otros sectores,
como la minería, la agricultura, la construcción, etc. En lo adelante se centrará el análisis en la
descripción de este mecanismo de desgaste primario.
La abrasión es el mecanismo de desgaste más común en las piezas metálicas (50% de los
elementos de máquinas en la industria, las máquinas agrícolas, de la construcción y el
transporte) aunque en la mayoría de los casos se presente una combinación de dos o más
mecanismos (Rodríguez, 2002; http://www.soldadura.org.ar, 2007; Cedré, 1999). Por abrasión
se entiende la modificación de las capas superficiales de los cuerpos sólidos producto de la
acción de asperezas o partículas libres de alta dureza al deslizarse sobre otra superficie de
menor resistencia mecánica. El desgaste abrasivo será entonces el resultado de la acción de
este movimiento relativo con respecto a la superficie.
Este es, en particular, un fenómeno complejo, ya que depende de múltiples variables del
tribosistema tales como la geometría de las superficies en contacto, la temperatura del medio y
de las superficies, las propiedades mecánicas de los materiales involucrados, entre otros
(León, 2005; Siniawski, 2006). El desarrollo de este proceso varía substancialmente de un par
material a otro. La razón de abrasión depende, entre otros factores, de la evolución de las
superficies (generalmente a micro o nano escala), de los detalles internos de la interacción de
las dos superficies y de las respuestas cambiantes de cada una de ellas.
La abrasión es un problema en la mayoría de los ambientes de desgaste a un nivel u otro, a
pesar de que inicialmente puede que no sea el mecanismo de desgaste principal (Kuhn, 2001).
Este tipo de desgaste se manifiesta por daños a la superficie tales como excoriaciones,
arañazos o ralladuras.
Las causas del desgaste abrasivo son (Kragelsky, 1980; Rodríguez, 2007):
1). La penetración de las asperezas de alta dureza en las capas superficiales de la otra
superficie en contacto.
2). La acción y/o penetración de partículas libres de alta dureza, producto del medio o del
mismo proceso de desgaste, en las capas superficiales de los elementos de máquina. Bajos la
acción de asperezas o partículas, dependiendo de la forma y dimensiones de las mismas, así
como de la relación entre sus propiedades tales como dureza, resistencia a la rotura y fluencia,
módulo de elasticidad, además de las condiciones del medio y de trabajo, de la carga aplicada
y del tipo de elemento de máquinas, se pueden presentar diferentes mecanismos del desgaste
abrasivo.
a) Mecanismo de microcorte: Ocurre cuando la partícula abrasiva o aspereza presenta cantos
vivos, la dureza del abrasivo es superior a la del material y la tensión de contacto sobrepasa el
límite de rotura del material. En este caso se produce el microcorte de las superficies,
generándose partículas de desgaste en forma de limallas o virutas (Figura 1.1).
b) Mecanismo de deformación plástica.- Ocurre cuando las partículas son pulidas (sin cantos
vivos), hay presencia de tensiones por debajo del límite de rotura del material, bajos grados de
penetración. Bajo estas condiciones se produce la deformación plástica de las capas
superficiales, trayendo como consecuencia el rayado y arrugado de la superficie con poca
generación de partículas de desgaste (Figura 1.2).
En el desgaste abrasivo, las características de las partículas abrasivas son determinantes.
Algunos factores de influencia son la forma de la partícula, el tamaño, la dureza, la resistencia a
la fluencia, propiedades de fractura y la concentración. Esas características van influenciar en
la severidad de la abrasión (Kuhn, 2001, Cruz, 2012).
Figura 1.1. Modelo del mecanismo de microcorte. a) Penetración, b) Corte del metal,
c) Generación de partículas
Figura 1.2. Modelo de deformación plástica.
Tipos de desgaste abrasivo
Existen varias subclasificaciones dentro del desgaste abrasivo, las cuales consideran diferentes
factores ( Rodríguez, 2007; Ochoa, 2006). En dependencia del grado de libertad del grano
abrasivo se distinguen dos tipos fundamentales de desgaste abrasivo.
- Desgaste contacto-abrasivo: Producido por las asperezas o micro irregularidades superficiales
de un cuerpo, al penetrar y deslizarse sobre el otro. Es conocido también como desgaste por
partículas fijas.
- Desgaste contaminante-abrasivo: Producido por la acción de partículas libres proveniente de
diferentes medios, las cuales deforman plásticamente y/o cortan las capas superficiales.
Desgaste contacto – abrasivo (entre dos cuerpos en contacto)
Este tipo de desgaste se denomina también desgaste de dos cuerpos. Producto de la carga
normal y en dependencia de las propiedades mecánicas de los cuerpos sólidos en contacto se
produce la penetración de las asperezas del cuerpo más duros o resistente en las capas
superficiales del cuerpo menos duro o resistente. Al producirse el movimiento relativo y debido
a que las tensiones producto de la carga normal sobrepasan el límite de resistencia del material
menos resistente se produce el microcorte de la superficie (Figura 1.3).
Figura 1.3. Modelo del desgaste contacto-abrasivo. 1- Aspereza del cuerpo duro. 2- Cuerpo
blando. h - penetración R - radio de la aspereza.
Desgaste contaminante-abrasivo
El desgaste contaminante abrasivo se denominará en adelante desgaste abrasivo por ser la
forma más difundida de designarlo. En dependencia del mecanismo de acción de las partículas
abrasiva se distinguen dos formas de destrucción de las superficies:
- Forma mecánico-química de destrucción de las superficies (también denominado como
desgaste abrasivo a baja tensión): En general, es el tipo de abrasión menos severa. Se
caracteriza por deformaciones plásticas de las capas superficiales, su oxidación producto de la
acción del medio y posterior destrucción de la capa, siendo este un proceso interrumpido de
formación y destrucción de la capa de óxido, para un número alto de ciclos. En la figura 1.4 se
aprecia un ejemplo de superficie sometida a este tipo de desgaste abrasivo (Catálogo
CUAREPOTI, 2006)
Figura 1.4. Abrasión de baja presión.
La velocidad, la dureza, el filo del reborde y el tamaño de las partículas abrasivas se combinan
para influir sobre el efecto de sobre la superficie.
- Forma mecánica de destrucción de las superficies (también denominado desgaste abrasivo
por acanalado o rayadura) se caracteriza por la penetración de la partícula abrasiva en la capa
superficial y la destrucción de esta con separación de partículas (microcorte) o sin esta
(deformación plástica) del material base (Kragelsky, 1980).
Un ejemplo de este tipo de desgaste se encuentra en superficies donde las partículas
abrasivas actúan con determinados niveles de impacto (Figura 1.5).
Figura 1.5. Ejemplo de superficie sometida a desgaste abrasivo con impacto.
En este caso puede ocurrir la remoción del material por la acción del abrasivo, cuyas partículas
son de tamaño apreciable e impactan en la superficie bajo un ángulo determinado. La energía
de impacto se transfiere al material y haciendo que el abrasivo produzca grandes surcos y
ralladuras apreciables a simple vista. Las características de las partículas abrasivas son
además importantes. Algunos factores de influencia son la forma de la partícula, el tamaño, la
dureza, la resistencia a la fluencia, propiedades de fractura y la concentración. Esas
características van influenciar en la severidad de la abrasión.
Por otra parte, en dependencia del medio en que se produce el desgaste abrasivo este se
clasifica en:
- Desgaste en masa abrasiva.
- Desgaste uniones de rozamiento.
- Desgaste erosivo o hidroabrasivo.
Desgaste en masa abrasiva.
El desgaste en masa abrasiva es el más extendido y estudiado, debido a su incidencia en un
gran número de máquinas agrícolas de la construcción civil y de la industria. Por lo general la
forma de destrucción de las superficies es el mecánico-químico, debido a que las partículas
abrasivas ejercen bajos esfuerzos o tensiones en las capas superficiales.
Se establece que para partículas abrasivas con tamaño superior a 1µm se produce el desgaste
en masa abrasiva, lo que significa la existencia de este en la mayoría de los casos. Otro factor
de importancia es el relacionado con la dureza de las partículas abrasivas; así cuando la
relación entre la dureza del material y la de la partícula es menor que 0,5 se produce el
desgaste mecánico por micro-corte y cuando esta relación es mayor que 0,7 se producen
deformaciones plásticas, para luego de un gran número de ciclos de trabajo ocurrir la
separación de material (fatiga superficial) (Kragelsky, 1980).
Las partículas abrasivas de origen mineral se encuentran en alta cantidades en los suelos; así
por ejemplo el óxido de sílice (arena de cuarzo) constituye entre el 40 - 60% de los suelos
cubanos.
Desgaste abrasivos en uniones de rozamiento. Abrasión de tres cuerpos.
El desgaste abrasivo en uniones de rozamiento es característico de elementos de máquinas
como cojinetes de deslizamiento y de rodamiento, transmisiones dentadas abiertas, etc.,
debido a la presencia de partículas abrasivas que provienen del medio o que son producto del
desgaste del mismo par de rozamiento. También es característico de equipos de molinos de
materiales de la minería, la construcción, etc. Este tipo de desgaste también se conoce como
abrasión de alta presión (Figura 1.6) (Rodrigruez,2007; Ochoa, 2006).
Figura 1.6. Modelo elemento - abrasivo - elemento (E-A-E) 1 y 2 elementos del par de
rozamiento, 3 Abrasivo.
La abrasión de alta tensión (Figura 1.7) implica que la partícula abrasiva es fracturada y partida
durante el proceso de desgaste (Kuhn, 2001, Cruz, 2012).
La magnitud del estado tensional, la cinemática de la fricción y el carácter de destrucción de las
superficies dependen de las condiciones de interacción de los elementos del sistema E-A-E. En
este caso es determinante la forma y dimensiones de los granos abrasivos y la posibilidad de
penetración de las partículas, así como las propiedades mecánicas de los elementos de
máquina (Cedré, 1999; http://www.esabna.com/EUWeb/AWTC/2006).
Este tipo de abrasión es más intenso que el simple desgarro. Ocurre cuando pequeñas y duras
partículas abrasivas son presionadas contra una superficie metálica con suficiente fuerza como
para fracturar la partícula hasta triturarla. Generalmente, la fuerza de compresión la
proporcionan dos componentes metálicos con el elemento abrasivo aprisionado entre ellos. La
superficie se pone áspera producto del desgarro, lo que puede provocar grietas superficiales.
Figura 1.7. Ejemplo de condiciones de trabajo donde se produce la abrasión de alta presión o
de tres cuerpos.
Desgaste erosivo o hidroabrasivo
La presencia de partículas duras en un flujo produce el desgaste de los elementos de las
bombas, turbinas, etc. El desgaste erosivo se produce en condiciones de impacto de las
partículas abrasivas contra la superficie de los elementos, sólo para ángulos de ataque nulos,
la acción de impacto de las partículas no se produce y se pasa a otro tipo de desgaste o sea al
desgaste en masa abrasiva (Rodriguez, 2007).
Desde el punto de vista mecánico la resistencia al desgaste erosivo de los elementos de
máquinas depende de diferentes factores tales como el tiempo que dure la acción de las
partículas, las dimensiones de estas así como su velocidad en el momento del impacto, el
ángulo de choque (ataque), la cantidad de partículas abrasivas y la variación de las
propiedades mecánicas de los materiales debido a la acción físico-química del medio.
Con el aumento de la concentración de partículas abrasivas en el fluido, se produce un
incremento lineal del desgaste. Con el aumento del ángulo de ataque y la velocidad de impacto
la influencia de la forma de las partículas abrasivas en la intensidad del desgaste disminuye a
causa de que se incrementa la posibilidad de la fractura de las partículas.
Teniendo en cuenta toda la información anterior acerca de la descripción de los diferentes
mecanismos de desgaste y las condiciones de trabajo de las cuchillas cañeras puede
plantearse que la zona de trabajo de esta pieza está sometida a desgaste abrasivo del tipo
contaminante abrasivo, en su forma mecánico-química de destrucción de la superficie, también
conocido como desgaste abrasivo a baja tensión.
1.3 Formas para enfrentar el desgaste abrasivo
Existen varias formas de combatir el desgaste abrasivo que van desde la fabricación de los
componentes con aleaciones resistentes a este mecanismo de desgaste, hasta la aplicación de
recubrimientos duros sobre un susbtrato de acero menos costoso. En la mayoría de los casos
que se fabrican piezas de aleaciones resistentes al desgaste abrasivo, la aleación que
generalmente se utiliza es fundición blanca aleada (predomina la fundición blanca aleada al Cr,
del sistema Fe-C-Cr). En el caso de la aplicación de recubrimientos, existen varios métodos:
procesos termoquímicos (nitruración, cromado, etc.), procesos electroquímicos (por ejemplo, la
electrodeposición de aleaciones con micro o nanopartículas duras dispersas), deposición de
recubrimientos por plasma, aplicación de recubrimientos por proyección metálica, aplicación de
recubrimientos por soldadura.
1.3.1 El proceso de soldadura de recargue superficial para enfrentar el desgaste abrasivo
El recargue o relleno superficial consiste en la aplicación de una capa de metal sobre una
superficie de trabajo mediante soldadura. Este método se emplea tanto para la producción de
nuevas piezas como para recuperar aquellas que se han desechado por haber perdido sus
dimensiones originales o la propiedad requerida en la superficie. En el primer caso, la
fabricación de piezas nuevas con superficies rellenadas generalmente conduce a la fabricación
de piezas bimetálicas, pues las características del metal que se aporta a la superficie resultan
diferentes a las del metal que constituye el resto del cuerpo. En este caso se trata de aportar a
la superficie rellenada determinadas propiedades de resistencia. El efecto económico que se
obtiene indudablemente está dado por el volumen de metal que se requiere depositar con
características especiales, su duración adecuada a las condiciones de trabajo y el volumen
total de la pieza (Burgos, 1996; Burgos, 1988).
En el recubrimiento superficial que se hace a las piezas desgastadas para su recuperación,
también el relleno juega un papel de importancia. Puede recuperarse simplemente con la
adición de un metal de calidad semejante a la del cuerpo de la pieza y con el fin de restaurar
medidas para permitir el ahorro en muchos casos de tiempo de elaboración de piezas nuevas
por fundición y maquinado.
El relleno superficial puede aportar a la superficie de trabajo propiedades en cuanto a la
resistencia a diversas causas de destrucción o desgaste, por lo que antes de acometer un
proceso tecnológico de este tipo es necesario tener algunas consideraciones, ya que existen
muchas variantes del tipo de metal de aportación, proceso tecnológico de relleno y costo total
de fabricación o reparación que requieren la selección de la mejor variante.
En sentido general se pueden resumir en cuatro factores de análisis:
1- Condiciones de trabajo a que está sometida la pieza a rellenar. Esto implica determinar
con mayor exactitud posible el tipo de desgaste que está presente en las condiciones de
servicio.
2- El tipo de sistema aleante más conveniente para contrarrestar el efecto destructor de las
condiciones de trabajo de la pieza.
3- El proceso tecnológico de relleno adecuado para la aplicación de la capa superficial,
según las condiciones de la pieza, forma, peso, cantidad de metal a depositar, cantidad
de piezas a rellenar, entre otras.
4- El procedimiento a aplicar para lograr la máxima calidad del metal de relleno según el
proceso seleccionado y el metal a depositar.
Con respecto al proceso de soldadura a utilizar para realizar el recargue de las superficies de
trabajo, teniendo en cuenta que en la mayoría de los casos se reparan en pequeños talleres o
incluso in situ, sin desarmar el conjunto, no caben dudas de que el proceso de soldadura por
arco manual con electrodo revestido (SMAW) es el adecuado, sobre todo si se analiza que el
equipamiento que permite la ejecución de este proceso es el de mayor disponibilidad en los
talleres, no siendo así con procesos semiautomáticos (GMAW, FCAW), que garantizarían una
mayor productividad y ahorro de material de aporte (Dulón, 2003). Otro aspecto que contribuye
a la selección del procesos SMAW es su facilidad de maniobra cuando se trata de soldar en
bordes, ya que permite un mayor control del baño de soldadura, así como fuera de posición y
en espacios al aire libre, como ocurre en la reparación de componentes del sector azucarero,
de la agricultura, la construcción, la minería, entre otros, que se realiza el recargue sin realizar
el desarme del conjunto (cuchillas cañeras, martillos de molinos, órgano de trabajo de aperos
de labranza, dientes de excavadoras, etc.).
1.3.1.1 Características de las aleaciones recomendadas para enfrentar condiciones de
desgaste abrasivo a baja presión.
Es común encontrar que electrodos de recargue superficial destinados a aplicaciones frente al
desgaste se clasifican generalmente según la dureza del metal que depositan (Brinell, Rockwell
o Vickers); sin embargo, hay que tener en cuenta que la dureza sólo da una indicación muy
relativa de la resistencia al desgaste. Un metal depositado más duro que otro puede resultar
menos resistente al desgaste. También puede ocurrir que recargues que presenten la misma
dureza registren comportamientos disímiles. Lo que está claro es que la microestructura es la
propiedad determinante en la resistencia frente al desgaste abrasivo
(http://www.soldadura.org.ar/main 2007).
En el caso del desgaste por abrasión, la naturaleza de la materia abrasiva (su dureza,
fragilidad, tamaño y forma de los granos) influye decisivamente en el comportamiento del
depósito y, por consiguiente, en la elección de la categoría del consumible a utilizar para
realizar el recargue superficial de la pieza afectada (http://www.soldadura.org.ar/main 2007;
Catálogo CUAREPOTI, 2006). Una amplia variedad de aleaciones de recargue se encuentra
comercialmente disponible para la protección contra el desgaste abrasivo, donde es común
encontrar los que depositan una microestructura compuesta por carburos dispersos en una
matriz austenítica o martensítica.
Se ha demostrado que la resistencia al desgaste está determinada por la forma, el tamaño y la
distribución de los carburos, así como por la microestructura de la matriz. El tipo, volumen,
cantidad de fases y su distribución dentro de la matriz controla grandemente las propiedades
mecánicas y frente al desgaste abrasivo en los aceros (Chatterjee, 2003; Prakash, 2006).
Propiedades tales como dureza, resistencia y tenacidad son dictadas principalmente por los
microconstituyentes y las leyes de endurecimiento basadas en la teoría de dislocaciones. En el
caso del desgaste abrasivo, el comportamiento del desgaste es controlado por el tamaño
relativo de las ranuras de desgaste formadas por las partículas abrasivas y el tamaño de las
agrupaciones o colonias de la fase más duras, además de las propiedades mecánicas y/o de
los constituyentes microestructurales. Es un hecho establecido que si el tamaño de la ranura
abrasiva es superior que el tamaño de la colonia de la fase más dura, entonces se reducen las
ventajas en cuanto a resistencia al desgaste dadas por la presencia de microconstituyentes de
fases duras.
De esta forma se plantea que cuando la estructura de la aleación está constituida por una
matriz determinada en la que existen microconstituyentes tales como los carburos, el desgaste
debido a partículas abrasivas progresa mediante el desgaste de la matriz debido a que las
partículas van excavando y sacando material de esta. Esta acción eleva gradualmente los
carburos y por tanto estos son los que soportan ahora las cargas de las partículas abrasivas.
Mediante el aumento en la fracción de volumen de carburos, las proporciones de área de la
matriz disminuyen y mejora la resistencia a la abrasión. Sin embargo, si el desgaste
preferencial de la región de la matriz es excesivo, los carburos pierden las bases y se hacen
susceptibles al astillamiento o fractura. Como la matriz es preferencialmente eliminada durante
el proceso de abrasión el papel de la matriz es principalmente proveer de un soporte mecánico.
Una matriz dura pero no frágil provee de mayor resistencia a la abrasión a baja tensión, bajo
estas condiciones, algunos investigadores han encontrado que aumentando la fracción de
volumen de los carburos aumenta la resistencia a la abrasión (Chatterjee, 2003; Prakash,
2006). La complejidad del fenómeno exige entender muy bien los mecanismos involucrados
antes de seleccionar el material de recargue capaz de reconstituir una pieza desgastada.
La microestructura de un depósito de soldadura de recargue duro será determinada, por la
composición química del mismo, además de otros factores relacionados con el ciclo térmico a
que se somete el depósito (Burgos, 1988). Por esta razón se han diseñado gran variedad de
consumibles de recargue, dependiendo del sistema aleante que estos aportan, entre los cuales
la gran mayoría presentan una composición química tal que favorece la formación de carburos
en el depósito de recargue.
La formación de carburos en el depósito se logra a partir de la aleación del acero con
determinados elementos metálicos que se encuentran a la izquierda del hierro en la tabla
periódica, dentro del grupo de transición. El postulado de formación de carburos plantea que:
sólo son aptos para formar carburos los metales cuyo subnivel electrónico d está menos lleno
que el del hierro, su actividad como formadores de carburos es tanto más intensa y la
estabilidad de las fases de carburo que se forman es mayor, cuanto menos completo está el
subnivel d del átomo metálico (Guliaev, 1986).
De acuerdo con esto, formarán carburos en los aceros los elementos siguientes: titanio,
vanadio, cromo, manganeso, circonio, niobio, molibdeno, hafnio, tantalio y wolframio. Estos
carburos se dividen en dos grupos, dado por la relación entre los radios atómicos del carbono y
el metal. El grupo 1 (radio atómico carbono/metal mayor que 0.59) lo componen los carburos de
Fe, Mn, Cr, Mo y W. Los del grupo 2 (fases de inserción, donde la relación radio atómico
carbono/metal es menor o igual que 0.59) se forman con elementos tales como V, Ti, Nb, Ta y
Zr. Generalmente los carburos no existen puros, por lo que si en el acero existen varios
elementos capaces de formar carburos, también contendrán estos elementos. Los carburos de
todos los elementos de aleación contienen hierro en disolución. Por ejemplo, en el acero al
cromo-manganeso se forma el carburos (Cr, Mn, Fe)23C6 que lleva en disolución hierro y
manganeso (Guliaev, 1986). Por esto las posibles variedades de formación de carburos son 6,
como se muestra en la tabla 1.1.
Tabla 1.1. Grupos de carburos metálicos que pueden formarse en el acero.
Grupo I Grupo II (fases de
inserción)
M3C; M23C6; M7C3; M6C MC; M2C
Lo carburos reunidos en el grupo I tienen una estructura cristalina compleja, los del grupo II
tienen una red cristalina simple y cristalizan por lo general en déficit de carbono. Estos últimos
son difícilmente solubles en la austenita, por lo que durante el calentamiento (incluso si es muy
elevado) pueden no pasar a solución sólida. En esto se diferencian de los del grupo I, que
durante el calentamiento se disuelven fácilmente en la austenita. Todas las fases de carburos
poseen alta temperatura de fusión y gran dureza, siendo esto mayor para las fases de inserción
(Guliaev, 1986).
La norma AWS establece 26 tipos de consumibles de recargue superficial base Fe para SMAW
(AWS A5.13, 2000). De ellos 22 brindan buenas propiedades de resistencia al desgaste
abrasivo, en su clasificación general y de estos 7 aportan un sistema aleante con adecuada
resistencia frente al desgaste abrasivo del tipo a baja presión. Los principales elementos
aleantes son C, Mn, Si, Cr, Mo y en dos casos se introduce en Ni (4%) y el Ti (1,8 %) por
separado (Lincoln. Procedure Welding Handbook, 2000; AWS A5.13, 2000). En la tabla1.2 se
encuentran los sistemas aleantes recomendados para enfrentar el desgaste abrasivo a baja
tensión (http://www.aws.org/w/s/wj/, 2007; http://www.escocorp.com/, 2006;
http://www.millerwelds.com/, 2007; http://www.twi.co.uk/, 2007).
El sistema aleante Fe-Cr-C como se ha visto es de uso común en aplicaciones donde
prevalece el desgaste abrasivo. Este sistema aporta una excepcional resistencia al desgaste
abrasivo y erosivo, debido primeramente a su alta fracción de volumen de carburos duros,
dentro de una matriz tenaz. Por otra parte se plantea que estas pueden considerarse entre las
de costo relativamente bajo (León, 2005; Chatterjee, 2003; Bálsamo, 1995).
Hierros fundidos de alto cromo, que presentan grandes cantidades de carburos compuestos de
elevada dureza (M7C3: HV 1600–1800, M23C6: HV1400–1700) se aplican con éxito en estos
casos. Las investigaciones microestructurales en estas aleaciones han mostrado que esos
tipos de materiales pueden presentar estructuras hipoeutécticas, eutécticas e hipereutécticas.
En ocasiones la austenita residual es otro constituyente de la matriz, la cual provoca una
disminución en la resistencia al desgaste abrasivo. Se ha comprobado que los recubrimientos
ricos en cromo con carburos primarios en matriz eutéctica presentan muy buenas propiedades
frente a estas condiciones (León, 2005).
El carburo del tipo M3C (esencialmente Fe3C con alguna sustitución de Cr por Fe en la red
cristalina) será la fase de carburo primario por debajo de 15% de cromo, mientras que el M7C3
(esencialmente Cr7C3 con alguna sustitución de Fe por Cr en la red cristalina) será la fase de
carburo por encima del 15 % de cromo (Figura 1.8). El carburo Cr7C3 es mucho más duro que
el Fe3C (aproximadamente 1300 HV).
Tabla 1.2 Sistemas aleantes base hierro recomendados frente a condiciones de desgaste
abrasivo a baja tensión.
Clasif.
AWS
C
Mn
Si
Cr
Ni
Mo
Ti
Características
del depósito
Mecanismo
Desg.
EFe7
1.5-3.0
0.5-2.0
1.5
4.0-8.0
—
1.0
—
Endurecible al
aire, 60 HRc
A↓
EFeCr-
A1A
3.5-4.5
4.0-6.0
0.5-2.0
20-25
—
0.5
—
Grandes carb de
Cr en matriz
austenítica tenaz
A , I
A↓- Abrasivo
a baja
presión, I↓
mínimo
impacto, I≈
Impacto
moderado,
M-M
Adhesivo.
Otro factor
importante
dentro de la
resistencia a
la abrasión
es la
orientación
de los
carburos En ocasiones, cuando se realizan depósitos de recargue de varias pasadas, en la
primera capa aparecen carburos alargados en la dirección normal a la interfase entre el
recargue y el metal base. Esto irá en detrimento de la resistencia al desgaste. Para pasadas
posteriores ocurre generalmente que estos no presenten una orientación especial (León, 2005).
EFeCr-A2
2.5-3.5
0.5-1.5
0.5-1.5
7.5-9.0
—
—
1.2-
1.8
Carb. de Ti en
matriz
austenítica
A↓ y I≈
EFeCr-A3
2.5-4.5
0.5-2.0
1.0-2.5
14-20
—
1.5
—
Carb. Cr matriz
martensítica
A↓y I↓
EFeCr-A5
1.5-2.5
0.5-1.5
2.0
24-32
4.0
4.0
—
Carb. Cr en
matriz
austenítica
M-M y A↓
EFeCr-A6
EFeCr-A7
2.5-3.5
3.5-5.0
0.5-1.5
0.5-1.5
1.0-2.5
0.5-2.5
4-30
23-30
—
—
0.5-2.0
2.0-4.5
—
—
Carb Cr
hexagonales en
matriz
austenítica 50-60
HRc. El Mo
aumenta la
resist. Abrasión a
alta presión
A↓y I≈
EFeCr-A8 2.5-4.5 0.5-1.5 1.5 30-40 — 2.0 — Carb. Cr
hexagonales en
matriz
austenítica. 50-
60HRc.
A↓y I↓.
Figura 1.8. Depósito de recargue de una aleación del sistema Fe-Cr-C, conteniente de carburos
de cromo primarios (M7C3) sin orientación especial.
La acción de freno del carburo de cromo M7C3 se muestra en la figura 1.9, en la cual una
partícula abrasiva fue bloqueada mientras iba cortando la matriz. Esto juega un papel crucial en
la resistencia al desgaste de los depósitos de recargue, debido a que los carburos actúan como
barreras efectivas al corte y la ralladura por partículas abrasivas.
Figura 1.9. Acción de freno de los carburos de cromo del tipo M7C3 en depósitos ricos en Cr.
Además de los consumibles vistos anteriormente, se recomienda especialmente para el
recargue de piezas sometidas a condiciones de desgaste abrasivo a baja presión, los
consumibles que depositan carburos de tungsteno (CIME, 1996; AWS A5.13, 2000; Cedré,
1999). La dureza de la matriz del depósito puede variar entre 30 y 60 HRc, en dependencia de
la técnica de soldadura empleada. Estas propiedades en común aportan una resistencia a la
abrasión excelente a los depósitos. Como consecuencia de su dureza y capacidad de
deformación plástica (hasta cierto límite) el carburo de tungsteno M6C (del tipo espina de
pescado) contribuye además a prevenir el efecto de corte de partículas abrasivas en los
depósitos ricos en W. Este tipo de carburo se hunde en la matriz y debido a esto no ocurre
fractura frágil ( figura 1.10).
Figura 1.10. Deformación plástica del carburo de tungsteno tipo M6C, tipo espina de pescado
obtenido en depósito de recargue ricos en tungsteno.
Electrodos que depositan carburos complejos (Cr, W, Nb,), se aplican también para aportar
resistencia al desgaste abrasivo sobre determinada superficie, especialmente cuando está
acompañado por otro mecanismo de desgaste (León, 2005).
En el caso del niobio este se usa comúnmente en las aleaciones de recargue, generalmente el
sistema C-Cr-Nb-Mo-Fe, con el fin de formar carburos del tipo NbC que sirven como centros
de cristalización para los carburos de cromo, promoviendo así la nucleación de estos últimos y
afinando de esta forma la microestructura, lo que le aporta mejores propiedades frente al
desgaste abrasivo al depósito.
El vanadio es otro elemento formador de carburos (VC), que puede tomar parte en la
composición de los sistemas aleantes para recargue (≈ 10%), junto con el Cr y el Mo como
endurecedores de la matriz y contenidos de carbono superiores a 2% (Chieh, 2006). Las
causas de las buenas propiedades que aporta la aleación con vanadio con vistas a la
formación de carburos en los depósitos para recargue está relacionado con la forma esferoidal
típica de los carburos de vanadio del tipo VC lo que ocasiona el llamado efecto de frenado de la
grieta.
Cuando el requerimiento primario es la resistencia a la abrasión a baja tensión, el uso de
hierros de alto cromo es recomendado si se requiere bajo costo de la aleación para el recargue
(Chavanne, 1983).
Capítulo II. Ensayos de desgaste abrasivo
2.1 Ensayos de desgaste abrasivo
Existe una gran dificultad en comparar resultados de desgaste obtenidos por diversos
investigadores debido a la variación de los métodos de ensayo y al bajo control de ciertos
aspectos del ensayo. Considerando específicamente el desgaste abrasivo, la complejidad del
fenómeno aun no permitió la determinación de un ensayo universal y frecuentemente los
ensayos son hechos bajo medida para reproducir las condiciones únicas que una determinada
aleación encontrará en servicio.
Para simular las tres formas de desgaste abrasivo (baja tensión, alta tensión e impacto), fueron
desarrollados tres equipamientos diferentes. Esto es porque una solicitación de resistencia al
desgaste a baja tensión puede no ser aplicada, por ejemplo, a una situación de alta tensión.
2.2 Ensayo de abrasión por impacto
Es la forma de desgaste abrasivo más difícil de evaluar debido a las diversas variables
involucradas y, por esta razón, existen más máquinas para evaluar la resistencia a la abrasión
por impacto que para las otras dos formas de desgaste. El equipamiento más utilizado para
simular este tipo de abrasión es el quebrantador de mandíbulas, como se muestra en la figura
1. La estandarización de este ensayo es hecha usando una de las mandíbulas como patrón y la
pérdida de masa de la mandíbula de ensayo es entonces comparada con la de la mandíbula
patrón. El abrasivo es introducido entre las mandíbulas y las pérdidas de masa monitoreadas,
dando una relación de desgaste por impacto (ASTM G 81, 1997).
Este ensayo considera la determinación de la pérdida de masa de la mandíbula estacionaria y
de la móvil. Para ello se utiliza un material de referencia para la mandíbula estacionaria y otro
para la móvil. Es determinada la pérdida de masa de cada mandíbula y dividida esta por la
densidad para determinar la pérdida de volumen. La pérdida de volumen de la mandíbula
estacionaria en estudio es dividida por la pérdida de volumen de la mandíbula estacionaria de
referencia (Se obtiene la Relación de Desgaste Estacionario). Igual operación se realiza para la
mandíbula móvil de estudio y de referencia (Se obtiene la Relación de Desgaste Móvil). La
relación de Desgaste Total Promedio se obtiene como la media de la Relación de Desgaste
Estacionario y la Relación de desgaste Móvil (ASTM G 81, 1997).
Figura 2.1. Representación esquemática de un quebrantador de mandíbulas para ensayos de
abrasión por impacto ((ASTM G 81, 1997).
2.3 Ensayo de abrasión a alta tensión
El ensayo de pin sobre disco es el más extensivamente usado para ensayos de abrasión a alta
tensión. Un pin hecho de la aleación a ser ensayada es friccionado contra una rueda abrasiva
(figura 2.2). La carga aplicada al pin determina el grado de abrasión a alta tensión. Abrasivos
libres pueden ser adicionados al sistema (o pueden ser generados durante el ensayo), los
cuales producen abrasión a tres cuerpos (figura 2.3). Aquí también son usados materiales de
referencia para desarrollar una relación de abrasión a alta tensión. Este ensayo se corresponde
con las Normas (ASTM G 99, 2004 y ASTM G 132, 1996).
Figura 2.2 Representación esquemática de una máquina de ensayo de abrasión a alta tensión
tipo pin sobre disco.
Figura 2.3. Ensayo pin sobre disco con adición de abrasivos libres.
La norma (ASTM G 99, 2004) permite evaluar el desgaste del disco y del pin, lo cual se hace
por gravimetría y luego se convierte a pérdida de volumen dividiendo por la densidad. Por su
parte, la norma (ASTM G 132, 1996) es de un espectro más abarcador en lo que se refiere a
configuración del tribosistema, refiriendo 4 configuraciones diferentes (Figura 2.4). Esta norma
se aplica con el objetivo primario de establecer un rankin comparativo entre materiales del pin,
no obstante.
Figura 2.4. Cuatro configuraciones de máquinas de abrasión tipo Pin ((ASTM G 132, 1996).
La norma (ASTM G 174, 2003) concibe otro ensayo de abrasión más simple que aquéllos
usados en la norma (ASTM G 132, 1996). Se utiliza una contrafase abrasiva fija para
desgastar el material de ensayo (Figura 2.5).
En el ensayo de la norma (ASTM G 174, 2003) se utilizan dos variantes para medir el volumen
de desgaste: A partir de un cálculo geométrico, basado en el huella de desgaste y por la vía
gravimétrica.
Figura 2.5. Ensayo de desgaste por contacto abrasivo curvo (ASTM G 174, 2003).
Por la vía de la dimensión de la huella de desgaste (Figura 2.6), según norma (ASTM G 174,
2003), se calcula la pérdida de volumen por la ecuación:
Figura 2.6. Medición de la huella de desgaste (ASTM G 174, 2003)
2.4 Ensayo de abrasión a baja tensión
El ensayo de abrasión con rueda de goma (Figura 2.7) es el ensayo más ampliamente usado
para clasificar materiales que están sujetos a abrasión a baja tensión en servicio como, por
ejemplo, herramientas para la agricultura, esteras transportadoras y elementos de equipos de
plantas procesadoras de minerales, mesas y rodillos de molinos y equipamientos de
construcción. Hay una buena correlación entre los resultados de estos ensayos y las
experiencias de campo.
Este ensayo tiene su procedimiento establecido por la norma (ASTM G 65, 2000) y consiste en
rallar un cuerpo de prueba rectangular con arena de tamaño de grano y composición
controlados. El abrasivo es introducido entre el cuerpo de prueba y la rueda de goma de dureza
especificada, provocando ralladuras. La goma cede de tal forma que el abrasivo no es
fragmentado y con eso las condiciones para baja tensión son mantenidas. En este ensayo el
cuerpos de prueba es presionado por medio de un brazo de palanca con un peso especificado,
contra la rueda de goma que rota, al tiempo que un flujo controlado de arena esmerila la
superficie. Los cuerpos de prueba son pesados antes y después del ensayo y la pérdida de
masa es determinada. Para posibilitar la comparación entre varios metales es necesario
convertir la pérdida de masa para pérdida de volumen en milímetros cúbicos, debido a la gran
diferencia en las densidades de los materiales.
Figura 2.7. Esquema simplificado del equipamiento para ensayo de desgaste abrasivo a baja
tensión en seco (ASTM G 65, 2000).
A medida que la rueda de goma va siendo usada ocurre una reducción de su diámetro y la
cantidad de abrasión por ralladura, desarrollada en un ensayo dado será menor. Debido a esto,
la pérdida de volumen producida por esta rueda será levemente reducida y el valor de la
pérdida debe ser corregido para estudios de rigor (ASTM G 65, 2000).
Una variación de este ensayo es el de rueda de goma con arena húmeda según la norma
(ASTM G 105, 2002), en el cual es introducida una pasta fluida (lama) conteniendo abrasivos o
una suspensión de arena en agua para esmerilar el cuerpo de prueba (Figura 2.8).
Figura 2.8. Esquema del ensayo abrasivo húmedo (ASTM G 105, 2002).
Capítulo III. Fabricación de la máquina de ensayo
3.1 Introducción
Las máquinas para ensayo abrasivo son de relativa sencillez tecnológica, lo cual posibilita su
fabricación en condiciones de talleres de baja especialización; al tiempo que, como ha sido
planteado, estos ensayos revierten gran importancia para realizar estudios sobre las causas del
desgaste; así como para valorar el desempeño de aleaciones y revestimientos en condiciones
de laboratorio que simulen las de servicio de los componentes.
Este capítulo aborda la fabricación de una máquina de ensayo abrasivo en las condiciones del
Centro de Investigaciones de Soldadura, destinada a la realización de estudios experimentales
para la docencia y la investigación en el Laboratorio de Tribología y Corrosión.
3.2 Análisis preliminar para la fabricación de la máquina de ensayo
Como fue abordado en el capítulo II, la norma más usada para la realización de ensayos de
desgaste abrasivo es la (ASTM G 65, 2000), siendo una variación de este ensayo el descrito
por la norma (ASTM G 105, 2002), que se diferencia por la realización del ensayo con arena
húmeda.
Toda vez que ambas normas no muestran grandes diferencias desde el punto de vista del
equipamiento y que para las condiciones concretas del Laboratorio de Tribología y Corrosión
del Centro de Investigaciones de Soldadura es más conveniente contar con equipos de mayor
versatilidad, en cuanto a posibilidades de ensayo, se decidió fabricar una máquina que permita
la realización de ensayos en condiciones secas y mojadas. O sea, la máquina a construir
integra elementos de la Norma (ASTM G 65, 2000) y de de la Norma (ASTM G 105, 2002).
El hecho de combinar la vía húmeda y la vía seca brinda la posibilidad de ensayar materiales
en las dos condiciones de medio con lo cual los estudios pueden ser más próximos a las
condiciones reales de trabajo de los componentes. Con frecuencia un mismo elemento entra
periódicamente en contacto con materiales abrasivos en condiciones secas y mojadas (equipos
de extracción y procesamiento de minerales, de labranza de la tierra, equipos de perforación,
equipos de dragado, entre otros) e incluso en las condiciones de humedad esta es en
presencia de fluidos muy particulares que inciden sobre el desempeño frente al desgaste de la
pieza (equipos de la industria procesadora de alimentos, equipos de la industria azucarera,
entre otros).
Otro elemento a favor a considerar para la fabricación de la máquina es que, tanto la norma
(ASTM G 65, 2000) como la (ASTM G 105, 2002) utilizan una muestra en forma de bloque
rectangular:
25,4 0,8 mm (1,00 0,03 in.) de ancho, 57,2 0,8 mm (2,25 0,03 in.) de largo y de
6,4 a 15,9 mm (0,25 a 0,625 in.) de espesor (ASTM G 105, 2002).
25 mm (1 in.) de ancho, 76 mm (3,0 in.) de largo y de 3,2 a 12,7 mm (0,12 a 0,50 in.) de
espesor. El tamaño puede variarse según la necesidad del usuario con la restricción de
que la longitud y el ancho sea suficiente para cubrir la huella de desgaste durante la
realización del ensayo.
Para ambas muestras la superficie de ensayo debe ser plana con una variación máxima de
0,125 mm (0,005 in.)).
Dadas las dimensiones y forma de las muestras, estas son más viables de obtener por
procesos de recargue por soldadura que las muestras requeridas por otras normas de ensayo
(por ejemplo el ensayo ―pin-on-disk‖ o la ―pin abrasión test‖ según las normas (ASTM G 99,
2004 y ASTM G 132, 1996) utilizan probetas cilíndricas). Precisamente, la mayor parte de los
estudios vinculados al desgaste abrasivo que se realizan en el Centro de Investigaciones de
Soldadura se vinculan a recubrimientos obtenidos por soldadura (Cruz, 2012 y Fernández
2012; López, 2005; Portal, 2009; Venancio, 2007). Al mismo tiempo la actuación profesional del
ingeniero mecánico en la industria cubana está muy ligada a la recuperación de piezas por
soldadura o a la fabricación por recargue como método fundamental de aumento de la
durabilidad, por lo que tanto en la docencia, como para la respuesta a problemas concretos de
la producción este sería el ensayo más demandado en el CIS.
3.3 Fabricación de la máquina de ensayo
La máquina de ensayo fue fabricada, como fue planteado en el epígrafe anterior, siguiendo los
requerimientos básicos de las normas (ASTM G 65, 2000) y (ASTM G 105, 2002). En la figura
3.1 se dan los elementos esenciales que la norma (ASTM G 65, 2000) brinda para la
construcción de la máquina. En dicha figura se hace evidente que las dimensiones del disco de
acero con el aro de goma, la posición de la muestra y las dimensiones del sistema de
aplicación de la carga constituyen elementos críticos para la construcción de la máquina.
También lo es la boquilla, cuya abertura define el flujo de arena y consecuentemente la
condición de ensayo.
Figura 3.1 Máquina de ensayo con rueda de goma en seco (ASTM G 65, 2000).
Toda vez que se pretende una máquina versátil que permita ensayar en condición seca (ASTM
G 65, 2000), que es la condición más frecuente, y húmeda (ASTM G 105, 2002),
adicionalmente a lo mostrado en la figura 3.1 Se colocará una cubierta (como fue mostrado
esquemáticamente en la figura 2.8) para que la rueda se mantenga sumergida en el líquido de
ensayo y con ello se asegure la humedad de la arena.
3.3.1 Fabricación del disco de goma
El disco fue fabricado en correspondencia con la norma (ASTM G 65, 2000), como se muestra
en la figura 3.2. Como se observa, el disco de acero es de 215,9 mm (8,5 in.), mientras el
diámetro exterior del anillo de goma es de 228,6 (9.0 in.), o sea el anillo es de 12,7 mm (0,5
in.). El espesor del disco de acero (y consecuentemente del anillo de goma) es también de 12,7
mm (0,5 in.).
Figura 3.2. Disco de goma de la máquina de ensayo abrasivo con arena seca (ASTM G 65,
2000).
Cabe señalar que en relación a la norma (ASTM G 65, 2000), la (ASTM G 105, 2002) difiere en
el diámetro del disco de acero (152,4 mm (6 in.)) y en el diámetro exterior del anillo de goma
(178 mm (7 in.)), o sea que entre el diámetro interior y exterior del anillo de goma hay 25,6 mm
(1,0 in.). El espesor del disco en ambas normas es coincidente 12,7 mm (0,5 in.) declara la
(ASTM G 65, 2000) y 13 mm (0,5 in.) declara la (ASTM G 105, 2002).
El disco (figura 3.3) fue fabricado a partir de una plancha de acero AISI 1020. Este fue cortado
por oxicorte a un diámetro mayor al requerido y luego fue llevado a las dimensiones de la
norma (215,9 mm (8,5 in.)). Para lograr una mayor adherencia de la goma, al disco le fue
realizada una depresión, de modo que se obtuvo una polea, y en el interior de dicha depresión
le fueron realizado agujeros para propiciar la penetración de la goma fundida durante el
proceso de vulcanizado. Para propiciar la salida de los gases, garantizando con ello la
ausencia de poros en la goma, fueron realizados pequeños agujeros que comunican con los
realizados en la pista de la polea.
Figura 3.3. Disco de acero con anillo de goma fabricado.
Como es evidente, para la fabricación del disco fue necesario utilizar un molde que garantizara
el proceso de vulcanización y adherencia de la goma al disco de acero. En la figura 3.4 se
muestra el molde utilizado.
(a) (b)
Figura 3.4. Molde para la adherencia de la goma al disco.
3.3.2 Fabricación del portamuestras
El portamuestras fue fabricado en correspondencia con la norma (ASTM G 65, 2000), como lo
muestra la figura 3.1. El aspecto más importante a considerar es que debe alojar la muestra
cuyas dimensiones fueron dadas en el epígrafe 3.2. Cabe señalar, como se hace visible en
dicho epígrafe, que también hay diferencias en relación a la longitud de la muestra entre las
normas para el ensayo en seco y húmedo, (ASTM G 65, 2000) y (ASTM G 105, 2002),
respectivamente. Esto evidentemente conduce a que haya diferencia en la longitud del
portamuestras. Un aspecto muy importante a considerar es que el centro de la muestra debe
coincidir con el diámetro central del disco. En la figura 3.5 se muestra en detalle el
portamuestra de la máquina construída. Este fue fijado al brazo de la palanca a la que se
añaden los pesos, para que la fuerza sea aplicada a lo largo de la línea diametral horizontal de
la rueda (figura 3.1 y figura 3.6). El peso real requerido no se debe calcular, sino que debe ser
determinado directamente. En el caso del presente trabajo, toda vez que se utilizaron las
dimensiones nominales del sistema de palanca para la colocación del preso de la norma
(ASTM G 65, 2000), la fuerza en la muestra es la que la norma establece en relación a los
presos colocados. Un sistema de peso apropiado puede ser un recipiente con arena.
Figura 3.5. Portamuestra de la máquina construída.
Fugura 3.6. Portamuestra y palanca para la aplicación de pesos de la máquina construida.
3.3.3 Boquilla para el suministro de arena
En la figura 3.7 se muestran, según la norma (ASTM G 65, 2000), los detalles para la
fabricación de la boquilla para producir una proporción de flujo de arena exacta y la forma
apropiada de cortina de arena para los procedimientos de ensayo. La boquilla puede ser de
cualquier longitud que permita la conexión al depósito de alimentación de arena, mediante un
tubo plástico. En las boquillas nuevas, la proporción de flujo de arena se ajusta gastando la
punta de la de la boquilla para aumentar la anchura de la apertura para lograr un flujo de arena
de 300 a 400 g/min.
Figura 3.7. Boquilla para el suministro de arena (ASTM G 65, 2000).
Diversos materiales, de los posible a soldar o tubos sin costura, pueden ser usados para la
fabricación de la boquilla. Se prefiere acero inoxidable debido a su resistencia a la corrosión y
su soldabilidad. Cobre y acero al carbono pueden también ser usados.
La boquilla debe posicionarse inmediatamente por encima de la muestra, de modo tal que
garantice la entrada uniforme de la arena entre la muestra y la rueda de goma (figura 3.8)
(ASTM G 65, 2000). En la figura 3.9 se muestra la boquilla fabricada para la máquina que se ha
construido, así como el detalle de su posicionamiento.
Figura 3.8. Detalle del posicionamiento de la boquilla (ASTM G 65, 2000).
(a) (b)
Figura 3.9. Boquilla de la máquina de ensayo fabricada. a) Boquilla, b) Boquilla colocada por
encima del portamuestras.
3.3.4 Selección del motor y fabricación de la transmisión
De acuerdo con las normas (ASTM G 65, 2000) y (ASTM G 105, 2002) el motor debe ser de
0,7 a 0,75 kW (1 hp). Debe estar acoplado a un reductor de modo que entregue la relación de
trsnsmisión adecuada (245 5 rpm en el caso del ensayo con arena húmeda (ASTM G 105,
2002) y 200 10 rpm en el ensayo con arena seca (ASTM G 65, 2000). Como no hay una
marcada diferencia en las revoluciones por minutos entre una y otra norma y también, como ya
fue definido que las dimensiones de la rueda de goma y del portamuestras responderán al
ensayo por vía seca se ha decidido adoptar como velocidad constante de la rueda de goma
200 rpm.
Toda vez que las condiciones no permiten adquirir un motor y los elementos para la transmisión
que cumplan con los requerimientos nominales, al tiempo que en el Centro de Investigaciones
de Soldadura se cuenta con motores acoplados a equipos que se explotan muy
esporádicamente, como es el caso de la peletizadora de plato (figura 3.10), se decidió usar el
motor y el reductor de este equipo para su adaptación a la máquina que se construye. Para ello
se partió de la premisa de no hacer modificaciones que inhabiliten el funcionamiento de la
peletizadora, de tal modo que con operaciones simples de desarme se puede pasar de la
peletizadora al acople de la máquina de ensayo de desgaste y viceversa.
El motor de la peletizadora es un motor trifásico de ¾ hp (0,55 kW) de potencia y 1200 rpm,
que se alimenta de 220/440 V, 2,9/1,5 A y 60 Hz. Este está acoplado a un reductor que
entrega 34.rpm. Para el acople a la máquina de ensayo fue necesario utilizar un sistema de
transmisión por correa y polea, lo cual permitió llevar las revoluciones a 200 rpm como había
sido predefinido para el ensayo. En la figura 3.11 se muestran elementos de la transmisión por
correa y polea que acopla el reductor a la máquina de ensayo. Fueron fabricadas dos poleas
de acero por fundición y maquinado posterior. Al reductor fue acoplada una polea de 320 mm
de diámetro y al eje que movimenta el disco con anillo de goma para el ensayo fue acoplada
otra de diámetro 60 mm. La correa utilizada es de tipo ―A-83‖. De la polea más distante al
reductor el movimiento se transmite al disco con anillo de goma mediante un eje montado en
pedestales (figura 3.12). Dicho eje fue fabricado por maquinado de un laminado acero
mejorable.
Figura 3.10. Peletizadora, cuyo motor y reductor fue usado para el acople de la máquina de
ensayo.
(a) (b)
Figura 3.11. Transmisión por correa y polea para el acople del reductor a la máquina de
ensayo.
(a) (b)
Figura 3.12. Pedestal con eje con una polea de la transmisión en un extremo y el disco con
rueda de goma en el otro. a) Eje montado en el pedestal sin la polea, b) Eje con la polea
colocada.
3.3.5 Fabricación de la estructura y ensamblaje de la máquina de ensayo
La estructura para el montaje de la máquina de ensayos fue fabricada de acero para estructura,
con el empleo de uniones por soldadura (figura 3.13).
(a) (b)
Figura 3.13. Estructura de la máquina de ensayo abrasivo fabricada.
Todos los elementos que han sido mencionados con anterioridad en este capítulo para
describir su fabricación de manera independiente fueron montados en dicha estructura,
siguiendo una secuencia lógica de ensamble. Luego de fabricada la estructura de 4 apoyos
(figura 3.13), le fue montado el pedestal con el eje y el sistema de palanca para la colocación
del peso, a este sistema de palanca le fue colocado por soldadura el portamuestras. A la
estructura le fue acoplado el sistema para el almacenamiento de agua durante el ensayo con
arena húmeda; así como el soporte y el recipiente para el contenedor de arena. La estructura y
los elementos acoplados fueron pintados.
Al eje en el extremo externo de la máquina de ensayo le fue colocada la polea. Fue colocada la
boquilla y el conducto que une de esta al contenedor de arena. Fue colocada la polea a la
salida del reductor de la peletizadora. Finalmente fue acoplada la estructura construida para la
máquina (figura 3.13) a la estructura de la peletizadora (figura 3.10) y le fue colocada la correa
a la polea de la salida del reductor a la polea del eje de la máquina de ensayo. En la figura
3.14 se muestra la máquina luego de su montaje final.
Figura 3.14. Máquina de ensayo para desgaste abrasivo con arena húmeda y seca.
3.4 Validación de la máquina de ensayos construida
A modo de validación de la máquina construida se realizó el ensayo de desgaste abrasivo de
muestras variando el recorrido de ensayo en tres niveles: 1000 vueltas (718 m de recorrido),
1600 vueltas (1148,8 m de recorrido) y 2400 vueltas (1723.2 m de recorrido). Previo al ensayo
fueron preparadas 3 muestras de acero AISI 1020. Se destaca que este acero no es
recomendado para este tipo de desgaste, no obstante, como el objetivo es validar el
funcionamiento de la máquina, se considera que el material utilizado en la elaboración de los
cuerpos de prueba no es definitorio en este caso, al tiempo que simplifica significativamente el
proceso de preparación de dichas probetas en comparación con probetas del material
adecuado para el desgaste abrasivo. Las probetas se fabricaron a partir de planchas, mediante
un proceso de corte con sierra mecánica, cuyas dimensiones se corresponden con las del
portamuestras, declaradas en el epígrafe 3.3.2. En la figura 3.15 se muestra la imagen de la
probeta elaborada para la realización del ensayo.
Figura 3.15. Probetas fabricadas para la realización del ensayo de desgaste abrasivo.
El ensayo de desgaste abrasivo se realizó por el método de rueda de goma con una fuerza
aplicada de 130 N. Este fue realizado con un tiepo diferente para cada probeta, de modo que
permitiera evaluar el efecto del recorrido de ensayo sobre el desgaste. Para el ensayo fue
utilizada arena de fundición del yacimiento de Casilda, la cual fue tamizada de entre los tamices
de 0,2 mm y 0,3 mm en correspondencia con lo tipificado por la norma ―AFS 50/70 Test Sand‖
como bien declaran las normas (ASTM G 65, 2000) y (ASTM G 105, 2002).
Previo a cada ensayo las probetas fueron enumeradas, lavadas con alcohol y pesadas en una
balanza analítica en el laboratorio de farmacia (figura 3.16). En la tabla 3.1 se muestran los
resultados de la masa inicial de cada una de las probetas para cada ensayo. Luego de
realizado cada ensayo las probetas fueron nuevamente lavadas y pesadas. También en la
tabla 3.1 se muestra el resultado de la masa final de las probetas.
Figura 3.16. Balanza analítica.
Tabla 3.1. Resultados del ensayo de desgaste.
Probeta No Vueltas del disco
rpm del disco
Recorrido de ensayo, R, m
Tiempo de ensayo, t, min
Masa inicial, Mi, g
Masa final, Mf, g
Pérdida masa, ΔM, g
1 1000 200 718 5 72,3825 72,1591 0,2234
2 1600 200 1148,8 8 73,8665 73,4715 0,3950
3 2400 200 1723,2 12 73,7035 73,0323 0,6712
En la figura 3.17 se muestran las probetas con la huella de desgaste. En la observación visual
se hacen evidentes en la muestra las ralladuras provocadas por el abrasivo sobre la superficie
de la muestra.
A partir del resultado de las masas iniciales y finales fue determinada la pérdida de masa,
cuyos valores se reportan en la tabla 3.1. En base a los resultados fue construido el gráfico de
la dependencia de la pérdida de masa en función del recorrido de ensayo (figura 3.18). Como
se observa de la tabla 3.1 y de la figura 3.18, con el aumento del recorrido de ensayo, la
pérdida de masa aumenta linealmente, lo cual concuerda con resultados reportados en la
literatura (Cruz-Crespo, 2012).
Figura 3.17. Muestra ensayadas en el desgaste abrasivo.
Figura 3.18. Comportamiento de la pérdida de masa en función del recorrido de ensayo.
3.5 Técnica operatoria para el ensayo de desgaste abrasivo con la máquina construida
En el desarrollo del ensayo se realizarán las siguientes operaciones:
1. Realización de un predesgaste para preparar la superficie de ensayo.
2. Lavado cuidadoso, con alcohol o acetona, de las probetas a ser ensayadas.
3. Pesaje en una balanza analítica de cada una de las probetas lavadas (Determinación de
la masa inicial, Mi y escribirla en la Tabla).
Probeta Mi, g Mf, g t, min rpm del disco
ΔM, g R, m W, 1/(g/m)
4. Montaje de la probeta en el portamuestras del equipo para el ensayo de desgaste.
5. Realización del ensayo de desgaste durante el tiempo predefinido de acuerdo con el tipo
de ensayo según las normas (ASTM G 65, 2000) y (ASTM G 105, 2002). Medir el con un
cronómetro (Tiempo de ensayo, t).
6. Extraer la probeta del portamuestras del dispositivo.
7. Realizar las operaciones 4, 5 y 6 tantas veces como probetas fueron pesadas en la
operación 3.
8. Lavar cuidadosamente con alcohol o acetona cada una de las probetas ensayadas al
desgaste.
9. Pesaje de manera independiente de cada una de las probetas (Determinación de la
masa final, Mf y escribirla en la tabla).
10. Verificar las rpm del plato del equipo.
Contenido del informe de los ensayos
a) La tabla 1 con los datos determinados en el laboratorio.
b) Completar la tabla 1, determinando:
la Pérdida de masa (ΔM=Mi-Mf), el recorrido de ensayo (R=rpm del discoXPerímetro
de recorridoXt) y
la resistencia al desgaste (W=1/( ΔM/R)).
c) Construir gráficos que reflejen el estudio realizado:
Relativos al material: Gráfico comparativo de materiales, gráfico de la dependencia
del desgaste con la dureza, con el contenido de los elementos de aleación, con los
aspectos microestructurales (fracción volumétrica de una fase o microconstituyente,
microdureza de una fase o constituyente), entre otros.
Relativos al material abrasivo: Gráfico comparativo del desgaste frente a diferentes
materiales abrasivos, gráfico de la relación del desgaste con la granulometría del
abrasivo, con la dureza del abrasivo, con los factores de forma del abrasivo.
Relativos a las condiciones de ensayo: Gráfico comparativo de la dependencia del
desgaste en condiciones secas y húmedas.
Relativos a los parámetros de ensayo: Gráfico del comportamiento del desgaste en
función de la carga y del recorrido.
Conclusiones
El desgaste y dentro de este el desgaste abrasivo, es la causa fundamental de
degradación de componentes, por lo que conocer las causas y forma en que se produce
posibilita encontrar las vías para contrarrestarlo.
La forma más común de enfrentar el desgaste abrasivo es mediante la fabricación y
restauración de piezas por soldadura, siendo que la fundición blanca del sistema Fe-Cr-
C es la aleación más frecuente por sus propiedades y bajo costo relativo frente a otras
aleaciones.
Los ensayos de desgaste abrasivo permiten validar el desempeño de aleaciones bajo
diferentes condiciones de servicio, sobre todo posibilitan realizar valoraciones
comparativas de materiales. Existen varios ensayos registrados en las nosmas ASTM G
que se diferencian por la configuración de los elementos, medio de ensayo, cargas y
formas de evaluación de los resultados.
La máquina construida es versátil, ya que posibilita el ensayo de desgaste abrasivo en
condiciones de arena seca y mojada, al tiempo que posibilita variar parámetros de
ensayo como: Recorrido, carga, tipo de material abrasivo, granulometría del material
abrasivo.
La validación de la máquina de ensayo permitió corroborar su adecuado desempeño,
confirmando la dependencia lineal de la pérdida de masa en función del recorrido.
Recomendaciones
Utilizar la máquina en ensayos de laboratorio para la docencia o en proyectos de
investigación.
Aplicar la experiencia adquirida en la fabricación de máquinas para otros ensayos
tribológicos.
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