propuesta de investigación
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PROPUESTA DE INVESTIGACIÓN
CONTENIDO
1. Resumen del proyecto
2. Descripción del proyecto
2.1 Planteamiento de la pregunta
2.2 Marco teórico y estado del arte
2.3 Objetivos
2.3.1 Objetivo general
2.3.2 Objetivos específicos
2.4 Metodología Propuesta
2.5 Resultados esperados y potenciales beneficiarios
2.5.1 Relacionados con la generación de conocimiento y/o nuevos desarrollos
Tecnológicos
2.5.2 Conducentes al fortalecimiento de la capacidad científica nacional
2.5.3 Dirigidos a la apropiación social del conocimiento
2.6 Impactos esperados a partir del uso de los resultados
2.7 Impacto Ambiental del proyecto
2.8 Cronograma de Actividades
3. Presupuesto
4. Referencias
1. Resumen del proyecto
Los cilindros de laminación son componentes mecánicos sometidos a altas cargas y a
desgaste abrasivo severo causado por los óxidos con alta dureza que se desprenden de las
chapas deformadas. El desgaste es la principal causa de la salida de operación de un
cilindro de laminación y un alto costo operacional está vinculado con el recambio de
cilindros. El desgaste en caliente involucra fenómenos complejos dado que las propiedades
mecánicas de los materiales cambian a altas temperaturas y la dinámica de la formación de
diferentes tipos de óxidos es altamente dependiente de la temperatura. El desgaste en
caliente ha sido estudiando en desgaste por deslizamiento pero pocos estudios se han
reportado en desgaste abrasivo. En este proyecto de investigación se analizará la resistencia
al desgaste en caliente de materiales ferrosos usados en cilindros de laminación. Así, este
proyecto tiene interés tanto científico como tecnológico. La resistencia al desgaste a altas
temperaturas (entre 200 °C y 600 °C) y el coeficiente de fricción serán correlacionados con
i) microestructura, ii) propiedades mecánicas, iii) degradación microestructural, iv)
características de los óxidos formados y v) mecanismos de desgaste de dos aceros rápidos,
un hierro fundido blanco y un hierro fundido mezclado o moteado; materiales que son
usados típicamente en aplicaciones a altas temperaturas. Para lograr estos objetivos el
hierro fundido mezclado será templado y posteriormente revenido a temperaturas entre 300
y 600 °C para obtener diferentes porcentajes de austenita retenida y diferentes durezas de la
matriz. Se realizarán ensayos de desgaste abrasivo (configuración pin-lija) en caliente
usando abrasivos con durezas similares a la de los óxidos formados a altas temperaturas y
se usará microscopia electrónica de barrido para caracterizar las superficies de desgaste. Se
medirá la pérdida de masa usando una balanza analítica y se registrará el coeficiente de
fricción como una función del tiempo de ensayo para cada material y temperatura. Los
óxidos formados se caracterizarán usando difracción de rayos x. Todas las variables se
correlacionarán usando métodos estadísticos. Los resultados permitirán incrementar el
conocimiento del fenómeno de desgaste, entender la influencia de cada una de las variables
evaluadas e identificar los materiales con mejores características para ser usados en
cilindros de laminación en caliente; contribuyendo al fortalecimiento de una de las
principales líneas de investigación del Grupo de Investigación en Fatiga y Superficies y a
estrechar la cooperación interinstitucional con la Universidad de Sao Paulo (Brasil),
Universidad que lidera actualmente la investigación aplicada al desarrollo de nuevos
materiales para cilindros de laminación. En el marco de este proyecto se realizará una tesis
de maestría y al menos dos trabajos de pregrado en ingeniería mecánica. Se publicarán dos
artículos en revistas indexadas categoría A, se presentará un trabajo en un congreso
internacional, se presentará un trabajo en un congreso nacional con algún grado de
participación de la industria metalmecánica nacional, la divulgación de resultados a nivel
nacional se garantizará por medio de conferencias.
2. Descripción del proyecto
2.1 Planteamiento de la pregunta o problema
Los componentes mecánicos expuestos a altas temperaturas pueden presentar desgaste
severo, aumentando los costos de mantenimiento y afectando la seguridad de los sistemas.
De forma general, con el aumento de la temperatura, la dureza y resistencia al desgaste de
los materiales disminuyen y la oxidación aumenta. Sin embargo, la oxidación no es
necesariamente nociva ya que la literatura reporta que en algunos casos el óxido protege los
materiales del par tribológico del fenómeno de adhesión, el cual causa pérdida de masa más
severa que cuando se presenta el desgaste oxidativo. Por otra parte las partículas de óxido
pueden traer como consecuencia desgaste abrasivo debido a la elevada dureza de dichas
partículas. También puede presentarse formación de grietas y desprendimiento de las fases
duras del material (carburos) dejando partículas sueltas entre los materiales en contacto
incrementando el desgaste abrasivo. Así el desgaste en caliente involucra fenómenos que
no han sido completamente entendidos, pero de alto impacto.
Los cilindros de laminación en caliente son componentes mecánicos de alto costo y el
desgaste define la vida en servicio de estos componentes, dado que durante la vida útil de
un cilindro puede disminuirse varias veces el diámetro de trabajo para corregir desgaste
hasta que el diámetro es inferior al admisible para el grado de esfuerzos, causando la salida
de operación. La resistencia al desgaste en caliente representa la propiedad más importante
para los cilindros de laminación en la etapa de acabado, su productividad es determinada en
términos de toneladas de material laminado por milímetro de desgaste del cilindro y la
calidad superficial del producto final está relacionada con el desgaste del mismo. En la
industria metalmecánica colombiana los costos asociados al desgaste de los cilindros de
laminación en caliente no están cuantificados y las siderúrgicas de la región afrontan
actualmente los problemas de desgaste sin análisis sistemáticos que les permitan disminuir
los costos ni mejorar la confiablidad de sus sistemas. A pesar que una investigación
detallada de los fenómenos involucrados en el desgaste en caliente disminuiría los
problemas de operación, aumentaría la productividad y mejoraría la calidad de estos
procesos, pocas investigaciones se han realizado en el tema en Colombia. Sin embargo, en
Colombia existen algunos grupos de investigación reconocidos en el área de Tribología.
Estos grupos han trabajado en varias aplicaciones industriales buscando reducir el desgaste
de componentes mecánicos, como por ejemplo en el sistema rueda-riel, rodetes de turbinas
Pelton, cuchillas utilizadas en preparación de caña de entre otras, estas investigaciones han
sido desarrolladas por el Grupo de Tribología y Superficies de la Universidad Nacional de
Medellín. El Grupo de Tribología, Metalurgia de Polvos, Polímeros y Transformaciones de
Residuos Sólidos y el Grupo de Mejoramiento Industrial de la Universidad del Valle han
analizado soldaduras aplicadas a las mazas de los molinos de caña de azúcar para reducir el
desgaste y aumentar el agarre.
Debe entonces responderse claramente por medio de una investigación sistemática cuál es
la relación entre la microestructura, las propiedades mecánicas, la degradación
microestructural, las características de los óxidos formados y los mecanismos de desgaste
con la resistencia al desgaste en caliente, de tal forma que se creen criterios y metodologías
que permitan la selección correcta de los materiales usados para esta aplicación.
2.2 Marco teórico y estado del arte
Los cilindros de laminación son componentes mecánicos usados en los trenes de
laminación para disminuir la sección transversal del material que procesan. Durante el
proceso de laminación, el área de contacto entre el cilindro y el metal presenta desgaste.
Los cilindros de laminación se encuentran expuestos a fatiga térmica, desgaste e impacto
durante su vida de servicio. Por tanto, propiedades térmicas, mecánicas y tribológicas son
requeridas para los materiales empleados en su manufactura [1]. Investigaciones previas
simulan las condiciones de operación de un cilindro de laminación usando la configuración
disco sobre disco, representando el desgaste por deslizamiento [2]. Algunas investigaciones
reportan el desgaste en caliente de aceros inoxidables [3-6] y aceros de bajo carbono [7-9]
en deslizamiento usando otras configuraciones. Estas investigaciones indican que el
principal micro-mecanismo de desgaste de estos pares tribológicos es abrasivo siendo más
representativo que el desgaste por adhesión a pesar de la configuración del ensayo, debido a
que la capa de óxido que se forma se fractura generando partículas abrasivas en par
tribológico. La formación del óxido puede afectar positivamente el desempeño debido a
que disminuye la adhesión entre las superficies [10], sin embargo cuando se desprende el
óxido incrementa el desgaste y el coeficiente de fricción. Adicionalmente en el par cilindro-
material laminado las partículas duras permanecen en el sistema de tal forma que ensayos
tribológicos de abrasión podrían simular mejor las condiciones en par tribológico real,
estudios sistemáticos de la resistencia a la abrasión en alta temperatura de estos materiales
no se han realizado.
La resistencia al desgaste abrasivo de diferentes materiales con uso en cilindros de
laminación a temperatura ambiente ha sido ampliamente analizada por el grupo proponente
de este proyecto de Investigación (Grupo de Investigación en Fatiga y Superficies) en
colaboración con el Laboratorio de Fenómenos de Superficie (LFS) de la Universidad de
Sao Paulo [11-18]. Se han analizado los efectos de muchas variables sobre la resistencia al
el desgaste abrasivo de estos materiales: i) la dureza de la matriz [11], ii) la velocidad de
solidificación [12], iii) la carga [13], iv) el tamaño del abrasivo [14-16], v) la orientación de
los carburos [17,18], vi) la microestructura [19,20].
El efecto de diferentes temperaturas de revenido (diferentes porcentajes de austenita
retenida y dureza de la matriz) sobre la resistencia al desgaste de un hierro fundido
mezclado o moteado fue realizado usando ensayos de desgaste en el equipo de rueda de
caucho con arena (sílice) como abrasivo y desgaste abrasivo a dos cuerpos usando alúmina
como abrasivo. Los resultados indicaron que en el desgaste abrasivo a dos cuerpos (pin-lija)
la más alta correlación fue obtenida entre la tasa de desgaste y la austenita retenida y el
principal mecanismo de desgaste fue microcorte. Por el contrario, en el desgaste abrasivo a
tres cuerpos (rueda de caucho) la dureza de la matriz presentó mejor correlación con la tasa
de desgaste que con la austenita retenida y el principal mecanismo de desgaste fue
microindentación [11]. Estos estudios se han realizado a temperatura ambiente, sin
embargo, un estudio a altas temperaturas puede mostrar el efecto de la sustentación del
óxido, variando la dureza de la matriz y su relación con los micromecanismos de desgaste
abrasivo.
Un hierro fundido blanco usado en los cilindros de laminación (3.32% C, 1.9% Cr, 4.15%
Ni, 0.7% Mn, 0.95% Si y 0.4% Mo), fue solidificado con diferentes velocidades (1.5 °C/s y
15 °C/s) y fue estudiado el efecto de esta variable en la resistencia al desgaste. Se midió la
microdureza de la superficie de desgaste (endurecimiento por deformación) para
relacionarla con la resistencia al desgaste. El material solidificado a 15 °C/s presentó mayor
dureza y estructura más fina, a pesar de esto, los resultados mostraron que la tasa de
desgaste fue similar para las dos velocidades de solidificación analizadas. Este
comportamiento fue explicado porel mayor endurecimiento por deformación presentado
por el hierro fundido con la velocidad de solidificación 1.5 °C/s alcanzando una dureza de
la superficie desgastada similar a la del hierro fundido con 15 °C/s [12]. Este
comportamiento a temperatura ambiente es muy interesante, pero puede ser diferente a
temperaturas elevadas donde la dinámica del endurecimiento se modifica, este estudio no
ha realizado.
El efecto de la carga sobre la resistencia al desgaste de hierros fundidos mezclados fue
analizado usando el ensayo de desgaste abrasivo a dos cuerpos con diferentes cargas: 1N,
2N, 4.6N y 10N. La superficie de desgaste de las muestras de hierro mezclado y las lijas
fueron analizadas usando SEM, para identificar los cambios de mecanismo de desgaste. Los
resultados indicaron que la tasa de desgaste aumenta con el incremento de la carga. Para
bajas presiones se presentaron microvirutas continuas, mientras que para altas presiones se
presentaron microvirutas continuas y discontinuas indicando un cambio de mecanismo de
desgaste abrasivo [13]. El efecto del tamaño de la partícula abrasiva sobre la resistencia al
desgaste de hierros fundidos mezclados, blancos y del acero SAE 1045 fue estudiado. En
este trabajo se usó alúmina con tamaños entre 16 μm y 192 μm. Los resultados mostraron
una relación entre el tamaño del abrasivo, el micro mecanismo de desgaste y la forma de la
micro viruta formada en las lijas [14-16]. Dado que muchos materiales incrementan su
ductilidad a altas temperaturas es posible que estas variables interactúen de forma distinta a
altas temperaturas cambiando los mecanismos de desgaste, estos estudio tampoco han sido
realizados.
El efecto de la orientación de los carburos (M3C y M7C3) en la resistencia al desgaste
de hierros fundidos blancos fue analizado [17,18]. Los resultados mostraron que los
carburos M7C3 presentan mayor resistencia al desgaste en la dirección transversal que en la
dirección longitudinal [17] en todas las cargas analizadas. Mientras que, los carburos M3C
presentaron similar pérdida de masa en las dos direcciones a bajas cargas y a altas cargas el
hierro fundido presentó mayor resistencia al desgaste en la dirección transversal que en la
dirección longitudinal [18]. Las propiedades mecánicas como la tenacidad a la fractura y la
dureza de estos carburos son potencialmente diferentes a altas temperaturas. Aunque
algunas de las variables presentadas en el marco teórico no serán analizadas en este
proyecto de investigación, quedarán las bases para su análisis posterior en una segunda fase
de este proyecto que será presentado en convocatorias externas 2012-2013.
Grandes avances se han realizado en el desarrollo de materiales resistentes al desgaste a
temperatura ambiente usando el conocimiento de los fenómenos involucrados. Sin
embargo, hace falta entender los fenómenos de desgaste a altas temperaturas donde pocos
estudios se han realizado con limitada aplicación en cilindros de laminación, dado que los
estudios existentes se limitan a configuraciones en deslizamiento. Este proyecto pretende
comenzar ese estudio sistemático de tal forma que el sistema tribológico que se presenta en
los cilindros de laminación sea mejor representado.
2.3 Objetivos
2.3.1 Objetivo general
Analizar la resistencia al desgaste en caliente de materiales ferrosos con aplicación
en cilindros de laminación en caliente y su relación con la microestructura, propiedades
mecánicas y óxidos formados. Identificado las características del material que maximizan la
resistencia al desgaste abrasivo y minimizan la fricción.
2.3.2 Objetivos específicos
• Comparar la resistencia al desgaste abrasivo a altas temperaturas (entre 200 °C y
600 °C) de dos aceros rápidos, un hierro fundido blanco y un hierro fundido
mezclado con diferentes micro-estructuras.
• Analizar el efecto de la temperatura, el tipo de óxido formado y el desprendimiento
de la capa de óxido en el coeficiente de fricción.
• Analizar el efecto de la dureza de la matriz en la estabilidad del óxido formado a altas
temperaturas en el hierro fundido mezclado.
• Caracterizar los óxidos, los mecanismos de desgaste, la degradación microestructural
y los cambios en dureza causados por el desgaste como una función de la temperatura
de trabajo en cada material estudiado.
2.4 Metodología Propuesta
Serán estudiados cuatro materiales usados habitualmente en los cilindros de laminación en
caliente: un hierro fundido mezclado, un hierro fundido blanco y dos aceros rápidos. El
hierro fundido mezclado será templado y posteriormente revenido a temperaturas entre 300
y 600 °C para obtener diferentes porcentajes de austenita retenida y diferentes durezas.
Estos materiales fueron donados por la empresa Villares empresa Brasilera dedica a la
fabricación y comercialización de cilindros de laminación a nivel mundial y por el instituto
de Pesquisas tecnológicas IPT de la universidad de Sao Paulo, instituciones que trabajan
conjuntamente en el desarrollo de nuevos materiales para ser usados en cilindros de
laminación.
Se realizarán ensayos de desgaste abrasivo en caliente (configuración pin-lija) en el
tribómetro marca NanoveaTribometer de la Escuela de Ingeniería de Materiales, a
temperaturas entre 200 y 600°C usando abrasivos con durezas equivalentes a la de los
óxidos formados a altas temperaturas. Se medirá la pérdida de masa usando una balanza
analítica y se registrará el coeficiente de fricción como una función del tiempo de ensayo
para cada material y temperatura.
Los pines se obtendrán por electroerosión con hilo. Por lo menos tres repeticiones, por cada
condición de ensayo, serán realizadas. Se utilizarán microscopios óptico, estereográfico y
electrónico de barrido (SEM) para la caracterización microestructural y química de los
materiales y superficies desgastadas. Los óxidos se caracterizarán mediante SEM,
difracción de rayos X y microdureza. La microdureza y macrodureza se medirán usando un
durómetro Vickers.
Se relacionarán la microestructura, dureza y temperatura de trabajo con el desgaste y
la fricción analizando los resultados con la técnica estadística ANOVA. Se correlacionarán
los mecanismos de desgaste, coeficientes de fricción, tipo de óxido con las temperaturas de
ensayo usadas para cada material.
2.5 Resultados/Productos esperados y potenciales beneficiarios
2.5.1 Relacionados con la generación de conocimiento y/o nuevos desarrollos
Tecnológicos
Como resultado de este proyecto se identificarán las características de los materiales más
relevantes en la resistencia al desgaste abrasivo para establecer criterios de selección de
materiales para laminación en caliente y enfocar los esfuerzos para el diseño de nuevos
materiales con esta aplicación.
2.5.2 Conducentes al fortalecimiento de la capacidad científica nacional
Este proyecto será desarrollado por el Grupo de Investigación en Fatiga y Superficies y el
Grupo de Investigación en Mejoramiento Industrial de la Escuela de Ingeniería Mecánica;
fortaleciendo la colaboración con el Laboratorio de Fenómenos de Superficie de la
Universidad de Sao Paulo y la empresa Villares en Brasil. Los resultados de este proyecto
serán el punto de partida para que la industria nacional de laminación en caliente
conozca y se beneficie de los estudios sistemáticos que la universidad está en capacidad de
desarrollar en beneficio de este sector.
En el contexto de este proyecto se realizará una tesis de maestría y al menos dos trabajos de
pregrado en ingeniería mecánica y se aplicará al programa de semilleros de investigación y
al de jóvenes investigadores, fortaleciendo así el equipo de trabajo de los grupos de
investigación.
2.5.3 Dirigidos a la apropiación social del conocimiento
Este conocimiento adquirido en este proyecto será transmitido a la industria nacional
e internacional por medio de ponencias en congresos y presentaciones periódicas de
resultados ante representantes de la industria metalmecánica nacional. Adicionalmente,
todos los resultados esperados tienen valor desde el punto de vista científico y serán
publicados en revistas indexadas categoría A.
Tabla 1 – Resumen de resultados y productos esperados
Tipo de productos Cantidad
Productos de nuevos conocimientos Artículo completo publicado en revistas A1 o A2 2 Artículo completo publicados en revistas B - Artículo completo publicados en revistas C - Libros de autor que publiquen resultados de
investigación -
Capítulos en libros que publican resultados de
Investigación -
Productos o procesos tecnológicos patentados o
Registrados -
Prototipos y patentes - Software - Productos o procesos tecnológicos usualmente no
patentables o protegidos por secreto industrial -
Normas basadas en resultados de investigación -
Formación de recursos humanos No. De estudiantes
vinculados
No. De trabajos
terminados
Pregrado 2 2 Maestría 1 1 Doctorado - - Estudiantes vinculados al programa de semilleros
de investigación (matriculados en pasantía I-II) 2 -
Productos de divulgación Publicaciones en revistas no indexadas o sus
equivalentes -
Ponencias presentadas en eventos (congresos, No. De potencias No. De potencias
seminarios, coloquios, foros) nacionales internacionales
1 1
Propuesta de investigación Propuestas para ser presentadas a convocatorias
externas 2012-2013 1
2.6 Impactos esperados a partir del uso de los resultados
Tabla 2 Impactos esperados
Impacto esperado plazo Indicador verificable Supuestos
Disminución de costos
asociados al desgaste de
cilindros de laminación en
caliente
Mediano Toneladas de material
laminado por milímetro de
desgaste del cilindro
La industria
nacional aplique
los
conocimientos
adquiridos para
la
selección de
materiales de los
cilindros de
laminación.
Disminución de los costos
energéticos del proceso de
laminación en caliente
Mediano Consumo de energía por
tonelada de material
laminado
Mejoramiento de la
producción y calidad de la
laminación en caliente
Mediano Tiempo de paradas para
recambio de cilindros
desgastados y calidad
superficial de los materiales
laminados
2.7 Impacto Ambiental del proyecto
En la producción de cilindros de laminación se usan procesos con potencial nivel de
Contaminación del medio ambiente, con la reducción de la magnitud del desgaste se
alargará la vida útil de estos, disminuyendo el impacto ambiental causado en la producción
de nuevos cilindros. Además, la pérdida de energía actual debido a altos coeficientes de
fricción, se puede reducir notablemente si los resultados de esta investigación son usados en
la industria. Durante la ejecución de este proyecto se usarán productos químicos para las
metalografías, en todos los casos la disposición de los residuos se realizarán según las
normas aplicables. La manipulación de estos químicos son procedimientos rutinarios de los
laboratorios de Ingeniería de Materiales.
2.8 Cronograma de Actividades
Tabla 3 – Cronograma de actividades a ejecutar en los 15 meses de duración del proyecto
Actividad/Mes
de
ejecución
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Adquisición de
software y
puesta a punto
del
tribómetro
x x x x x x
Revisión de la
literatura
x x x x x x x x x x x X x
Tratamiento
térmicos del
hierro fundido
mezclado
x x
Corte de pines x x x x
Caracterización
de óxidos
producidos en
horno con
ambiente
controlado
x x
Caracterización
de los
materiales de
estudio
(metalografías
y durezas)
x x
Ensayos de
desgaste
abrasivo
x x x x x x
Caracterización
de
superficies de
desgaste
x x x x x x x
Caracterización
de sub
productos de
desgaste y lijas
x x x x x x x
Análisis de
resultados
x x x x x x x
Elaboración de
artículos e
informes
x x x x x x x
Socialización
de resultados
x
3 Presupuesto Tabla 4 - Presupuesto global del proyecto de investigación
Rubros Fuentes
Contrapartida
en especie
Solicitado a la
convocatoria
Otras fuentes Total
Personal $33.000.000 $20.000.000 - $53.000.000
Servicios técnicos - $4.800.000 - $4.800.000
Material
especializado $ 3.000.000 - - $3.000.000
Equipos $10.000.000 - - $10.000.000
Software - $25.200.000 - $25.200.000
Total $46.000.000 $50.000.000 0 $96.000.000
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