Avance 17-O del programa doctoral Ciencias e Ingeniería (de Materiales)

Transcripción

1 Avance 17-O del programa doctoral Ciencias e Ingeniería (de Materiales) Estudio experimental y numérico del desgaste en un acero AISI L6 con recubrimientos duros. Doctorante: Daniel Sánchez Huerta Asesor interno: Isaías Hilerio Cruz Asesor externo: Noé López Perrusquia

2 Contenido Proyecto de investigación Objetivos e hipótesis Método experimental Counts[x1.E+3] Fe Co Mn Fe Cr Cr Ni V Ni C Mn Mo V B B Co Mo Mo S Si P S Fe Mn Fe V V Cr Co FeKesc Cr Mn Co Ni Ni kev

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5 Hipótesis 17-O Se obtendrá un desgaste mayor en el aumento de carga, así mismo aumentara la perdida de material al crecer la concentración de material abrasivo. Objetivo general 17-O Obtener un desgaste en un acero AISI L6, mediante ensayos de desgaste tres cuerpos, y así poder caracterizar el comportamiento en la perdida de material para determinar la influencia del contacto hertziano durante el ensayo tribológico.

6 1 Beneficios energéticos de 10,000,000 galones (13,472,000 TJ/año) para un lapso de 15 a 20 años solo por una adecuada optimización mecánica; al modificar el CoF (Coeficiente de Fricción) se estima un ahorro de 2,000 millones de euros, y en electricidad de 36,000 GWh, LEHIGH, University (2015). dejando de emitir 10.6 millones de toneladas de CO 2 para un periodo de 10 años para países industrializados, a nivel global el impacto del coeficiente de fricción y el desgaste impacta con una emisión de millones de toneladas de CO 2 con un costos de 450,000 millones de euros a corto plazo. Renteria et al. (2015) Para un periodo de hasta treinta años, al modificar y optimizar la superficie de los materiales, así como mejorar la resistencia al desgaste; la reducción de CO 2 puede ser de millones de toneladas y tener un ahorro de hasta 970,000 millones de Euros, K. Holmberg et al. (2017).

7 2 Desgaste Adhesivo Scratch Abrasivo Pin on Disc Erosivo Fretting Químico Ball cratering Rueda vulcanizada Fatiga K.L. Rutherford et al. (1997); Bowden y Tabor (1973) Ball cratering o cráter de bola: Primer técnica de abrasión fue Mikhail Lomonosov (1745 a 1765) que consistió en girar una piedra afilada sobre los materiales Brinell (1921) optimizo el mecanismo al cambiar la piedra por una rueda de acero duro. Haworth (1949) refino el mecanismo al agregar goma a la rueda. Grodzinski realizo la primer prueba de micro abrasión o ball cratering, con una bola de acero fundido de 1 pulgada de diámetro y aplicando diamante como material abrasivo.

8 3 Contacto Hertziano o Presión de Contacto Esfera sobre esfera Esfera sobre plano Esfera sobre copa Ball cratering Ball on disc - reciprocante Cilindro sobre cilindro Cilindro sobre Plano Cilindro dentro de cilindro Y. Kayali et al. (2011), Ibrahim Gunes et al. (2016), A.P. Krelling et al. (2017) Estático Dinámico

9 4 Se realizaron los tratamientos a de boro a tres temperaturas y tres tiempos de incubación. Se caracteriza la capa por MEB, EDS, nanoindentación y DRX, así mismo se establece el Coeficiente de difusión, teniendo capas de 27 a 180 µm con una morfología aserrada. Se realizan ensayos de ball on disc, evidenciando el coeficiente de fricción que se encuentra en un rango de 0.49 a 0.62, se estudia la rugosidad Ra de a µm, se caracterizan las huellas por MEB, MO, Perfilómetro Óptica y se modifica un modelo matemático para predecir el desgaste para asperezas.

10 Solo material base, no se presentan resultados de los recubrimientos Proyecto de investigación 5 Preparación de muestras Rugosidad Caracterización PO, MEB y Software de imagen. 2N 40, 80, 160 y 240 m 5N Limpieza de superficie Ball Cratering en seco y 10, 40 y 80 g de SiC Análisis

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12 7 500 µm 500 µm Material Base a 2N de carga con condiciones en seco, a) 40, b)80, c)160 y d)240 m, flecha roja indica la oxidación, flecha verde indica el desgaste de dos cuerpos. 500 µm 500 µm

13 8 Material Base a 5N de carga con condiciones en seco, a) 40, b)80, c)160 y d)240 m, flecha roja indica la oxidación, flecha verde indica el desgaste de dos cuerpos. 500 µm 500 µm 500 µm 500 µm

14 9 50 µm 100 µm Oxigeno Hierro Mecanismo de desgaste adhesivo, flecha verde indica las marcas de arado, flecha roja muestra material adherido. EDS de muestra en seco, se evidencia la presencia de óxido, a) perfil cualitativo de la concentración de oxígeno, b) zona de análisis, c) mapa de oxígeno, d) mapa del hierro.

15 µm 500 µm 500 µm 1 mm Cráteres de desgaste para el material base a 2N de carga con 10 gr de SiC, a) 40, b) 80, c) 160 y d) 240 m, flechas blancas indican la banda de material a desgaste de dos cuerpos.

16 Cráteres de desgaste para el material base a 5N de carga con 10 gr de SiC, a) 40, b) 80, c) 160 y d) 240 m, flechas blancas indican la banda de material a desgaste de dos cuerpos. Proyecto de investigación µm 500 µm 500 µm 1 mm

17 µm 500 µm??? 500 µm 1 mm Cráteres de desgaste para el material base a 2N de carga con 40 gr de SiC, a) 40, b) 80, c) 160 y d) 240 m, flechas blancas indican la banda de material a desgaste de dos cuerpos.

18 Cráteres de desgaste para el material base a 5N de carga con 40 gr de SiC, a) 40, b) 80, c) 160 y d) 240 m. Proyecto de investigación µm 500 µm 500 µm 1 mm

19 Cráteres de desgaste para el material base a 2N de carga con 80 gr de SiC, a) 40, b) 80, c) 160 y d) 240 m, no existe la banda media. Proyecto de investigación µm 500 µm 1 mm 1 mm

20 µm 500 µm 500 µm 1 mm Cráteres de desgaste para el material base a 5N de carga con 80 gr de SiC, a) 40, b) 80, c) 160 y d) 240 m, no existe la banda media.

21 16 a) b) c) Morfología del cráter a 160 m de deslizamiento con 80 g de SiC con una carga de 5N, a) imagen con filtro de electrones secundarios, b) imagen con filtro de electrones retro dispersados con topo, c) perfil que evidencia la presencia de Si y d) análisis cualitativo de la ubicación en la concentración de Si. d)

22 17 a) b) Mecanismo de desgaste Huella con un deslizamiento de 240 m, 10 g de SiC y una carga de 2N, morfología de picadura por el desgaste de rodadura. d)

23 18 Comportamiento del diámetro del cráter para concentraciones de material abrasivo de a) 10, b) 40 y c) 80 g de SiC. a) b) c) Diámetro en un rango de 0.7 a 3 mm para todo el estudio

24 19 Comportamiento de la profundidad de desgaste por concentración de SiC, a) 10, b) 40 y c) 80 g a) b) c) Profundidad en un rango de 3 a 90 µm para todo el estudio

25 20 Comportamiento del volumen de desgaste por concentración de SiC, a) 10, b) 40 y c) 80 g. a) b) c) Desgaste en un rango de a 0.22 mm³ para este estudio.

26 21 Comportamiento del volumen y presión de contacto en otras investigaciones L.M. Vilhena et al. (2016), estudia el desgaste en un recubrimiento de carburo de tungsteno en un acero AISI 304, atribuye la banda media a la alta presión de contacto pero sus estudios están realizados a una carga con un deslizamiento máximo de 8 metros. F. Fernandes et al. (2012) presenta un comportamiento parecido al de este trabajo, encuentran a banda media y tienen un desgaste mayor a menores cargas, cambian el volumen del material abrasivo para una experimentación de un recubrimiento de Níquel en un acero gris, para cargas bajas en un deslizamiento de hasta 15 metros

27 22 Tasa de desgaste por carga, a) 2N y b) 5N a) b)

28 23 Tasa de desgaste por carga, a) 2N y b) 5N Huella que no presenta la banda media pero por ser de bajos ciclos cierta cantidad de desgaste es dependiente a la banda media. Tasas de desgaste de huellas que presentan la banda media. A. Ramalho (2017) Dónde: S es la distancia total del deslizamiento de la esfera respecto a la muestra; N es la fuerza normal entre la esfera y la muestra; V es el volumen desgastado en la muestra; K es el coeficiente de desgaste; R es el radio de la esfera y b es el diámetro externo del cráter que se formó en la muestra.

29 24 Huellas de desgaste representativas en el ensayo de ball cratering, a) 40, b) 80, c) 160 y d) 240 m con carga de 2 N

30 25 Se tendrá un desgaste dependiente del contacto hertziano y el tamaño de la banda media. Existen dos fenómenos de desgaste, desgaste abrasivo y adhesivo, para la parte media se tiene un desgaste adhesivo, para la parte alrededor de la banda media se tiene un desgaste abrasivo de dos y tres cuerpos para todas las huellas de cráter. El desgaste será menor con la presencia de la banda media a cargas altas comparado a cargas bajas, en la posterior eliminación de la banda media se tendrá un desgaste dependiente de la carga. A mayor concentración de SiC se tendrá un mayor desgaste por el aumento de las interacciones de las partículas.

31 26 En este estudio se observa la forma de desgaste de la banda media de las huellas de cráter, hasta el momento no se había estudiado o establecido en experimentaciones por ball cratering. Por ultimo, se establece que el contacto hertziano afectara el tipo de desgaste, afectando la tasa de desgaste, teniendo una presión de contacto de 265 MPa para 2 N de carga y de 368 MPa para la carga de 5N.

32 Se agradece al Dr. Ernesto David García Bustos y al Dr. Martin Flores Martínez de la U. de G. por permitirme utilizar los equipos de ball cratering y ball on disc, al Dr. Stephen Muhl Saunders del IIM de la UNAM por apoyarme con el perfilómetro óptico, al Mtro. Víctor Jorge Cortes Suarez del área de materiales y metalurgia de la UAM por la disponibilidad y apoyo para utilizar los equipos, a la Dra. Dulce Viridiana Melo Máximo del Tecnológico de Monterrey por permitirme utilizar el MEB y equipo de rugosidad.

33 Referencias [1] T. t. Laboratory, LEHIGH University, Lehigh University, [En línea]. Available: [Último acceso: ]. [2] R. T. RENTERÍA, am, Compañía Periodística Meridiano S.A de C.V, [En línea]. Available: [Último acceso: ]. [3] K. Holmberg y A. Erdemir, Influence of tribology on global energy consumption, costs and emissions, Friction, Vol. 5, num. 3, pp , (2017) [4] K.L. Rutherford e I.M. Hutchings, Theory and Application of a Micro-Scale Abrasive Wear Test, Journal oftesting and Evaluation, JTEVA, vol. 25, num. 2, pp , (1997). [5] Friction an introduction to tribology, autor Bowden y Tabor, editorial Anchor books, edición 1, año de publicación (1973). [6] D. Klaffke, Tribological behavior ofme:ch coating onsteel against steel in the case of osci-llating sliding motion at room temperature, diamond films and technology, vol. 3, nº 3, pp , (1994). [7] Z. hua, G. hua, X. Jia, W. Fei, Y. lei, W. cai, Z. Liang, W. Jiang and Jonathan Q., Y. Chang, Dry wear behavior of rheo-casting Al 16Si 4Cu 0.5Mg alloy, Trans. Nonferrous Met. Soc. China Vol. 26, pp , (2016) [8] M.G. GeeU and M.J. Wicks, Ball cráter testing for the measurement of the unlubricated sliding wear of wear-resistant coatings, Surface and Coatings Technology, vol , pp , (2000). [9] A.L. Bandeira, R. Trentin, C. Aguzzoli, M.E.H. Maia da Costa, A.F. Michels, I.J.R. Baumvol, M.C.M. Farias and C.A. Figueroa, Sliding wear and friction behavior of CrN-coating in ethanol and oil ethanol mixture, wear, Vol. 301, num, 1-2, pp , (2013). [10] R.I. Trezona y I.M. Hutchings, Three-body abrasive wear testing of soft materials, Wear, vol , pp , (1999). [11] L.M. Vilhena, C.M. Fernandes, E. Soares, J. Sacramento, A.M.R. Senos y A. Ramalho, Abrasive wear resistance of WC Co and WC AISI 304composites by ball-cratering method, Wear, vol , pp , (2016). [12] F. Fernandes, A. Ramalho, A. Loureiro y A. Cavaleiro, Mapping the micro-abrasion resistance of a Ni-based coating deposited by PTA on gray cast iron, Wear, vol , pp , (2012). [13] R.C. Cozza, D.K. Tanaka y R.M. Souza, Friction coefficient and abrasive wear modes in ball-cratering tests conducted at constant normal force and constant pressure Preliminary results, Wear, vol. 267, pp , (2009). [14] R.C. Cozza, Effect of pressure on abrasive wear mode transitions in micro-abrasive wear tests of WC-Co P20. Tribol Int, vol. 57, pp (2013). [15] Z. Wang, Y. Lia, W. Huang, X. Chen y H. He, Micro-abrasion corrosion behaviour of a biomedical Ti 25Nb 3Mo 3Zr 2Sn alloy in simulated physiological fluidjournal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, vol. 63, pp , (2016). [16] M.M. Stack y M. Mathew, Micro-abrasion transitions of metallic materials, Wear, vol. 255, pp , (2003).

34 Análisis y experimentación pendiente Debido a la disponibilidad del equipo y excesivo tiempo en la experimentación, falta por completar: Análisis de desgaste, profundidad, diámetro y tasa de desgaste para la condición en seco. Determinar el peso del slurry para la condiciones de 40 y 80 g de concentración de SiC. Establecer el movimiento y densidad del slurry. Realizar ensayos con agua desmineralizada (sin slurry) para determinar como afecta la característica de corrosión. Establecer el tipo de contacto (conformado o no conformado) por tener un ambiente lubricado. Realizar análisis de regresión lineal para todas las tendencias.

35 Se publica articulo de investigación en revista de alto impacto de los avances de los primeros dos trimestres

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37 Se publica articulo de investigación en revista online de los avances del primer trimestre

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39 Se acepta avance de actividades del trimestre 5 para su presentación en el congreso de ICMCTF que se llevara a cabo en San Diego California USA 23 a 27 de Abril del 2018, con posible publicación en revista Thin Films de El Sevier

40 Se acepta avance de actividades hasta este trimestre para ser presentado en la red REDISYT, red nacional de Superficies y Tribología, en su reunión anual (7 y 8 de diciembre)

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42 Gracias por su atención