ESTUDIO COMPARATIVO DEL DESGASTE DE MATERIALES COMPUESTOS EN DIFERENTES CONDICIONES Y EQUIPOS

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1 VIII Congreso Nacional de Propiedades Mecánicas de Sólidos, Gandía ESTUDIO COMPARATIVO DEL DESGASTE DE MATERIALES COMPUESTOS EN DIFERENTES CONDICIONES Y EQUIPOS M. Rosenberger a, N. Martínez, M.D. Salvador b, E. Forlerer c, V. Amigó b, C. Schvezov a (a) FCEQyN UNaM, Félix de Azara 1552 (33) Posadas, Misiones, Argentina. (b) Dto. de Ingeniería Mecánica y de Materiales. UPV, España. (c) Dto. Materiales, CAC CNEA, Avda. del Libertador 825, (1429)Ciudad de Bs.As., Argentina. RESUMEN El análisis de la caracterización de materiales compuestos en ensayos de desgaste se realiza en general en una variedad de equipos y condiciones. Resulta por consiguiente de relevancia la comparación entre los resultados realizados en equipos similares para comparar y revalidar los resultados, con un carácter más amplio y consistente. Con este objetivo se han ensayado probetas obtenidas en condiciones de proceso y composición variada, de compuestos de base aluminio y refuerzos de carburos y boruros. Las probetas fueron fabricadas mediante compactación con posterior fusión y colada por centrifugación. En el presente reporte se presentan los resultados de ensayos en dos equipos diferentes pinon-ring con operadores y condiciones diferentes. Se concluye que el proceso de análisis es complejo e intervienen factores que inciden en los resultados significativamente, como ser, el tipo de compuesto, así como las condiciones del ensayo dadas por la velocidad de desgaste y la carga aplicada. Palabras claves Desgaste, Materiales Compuestos, Deslizamiento no lubricado. 1. INTRODUCCIÓN Muchos equipos han sido diseñados para la verificación de la resistencia al desgaste, tomando para ello las solicitaciones particulares de distintos aplicaciones expuestas a fricción y desgaste. Por lo tanto, pueden diferir en parámetros tales como: tipo de contacto (conforme o no conforme), condiciones de lubricación, velocidad de deslizamiento, presión de contacto, (introducida por la carga), entre otras. Entre las diferentes configuraciones que se utilizan para medir la resistencia al desgaste se encuentran los sistemas pin on ring, que son fáciles de construir y permiten mantener condiciones de contacto constantes. Es por ello que se selecciona esta configuración para la comparación de los resultados que se obtienen en equipos del mismo tipo, utilizados por operarios diferentes. En esta primera etapa se ensayan las probetas en las condiciones normales de trabajo en cada uno de los equipos, sin modificarlas. Dichas condiciones no son idénticas difiriendo tanto en velocidad como en carga. Se utilizaron materiales de compuestos de matriz metálica (MMC), los cuales tienen una buena resistencia al desgaste [1,2]. Como refuerzos se utilizaron partículas cerámicas de B 2 Ti y B 4 C, los cuales poseen durezas del orden de los 29 y 275 HV respectivamente. [5] Este tipo de refuerzos cerámicos brinda una mejor capacidad de soportar la carga A su vez se ensayó al material monolítico, utilizado como matriz en los MMC. 533

2 Rosenberger, Martínez, Salvador, Forlerer, Amigó y Schvezov 2. MATERIALES Y MÉTODOS Se utilizan compuestos con AA661 como matriz (.4 %Fe,.63 %Si, 1.4 %Mg,.23 %Cu,.21 %Cr, el remanente es Al) y refuerzos de los siguientes cerámicos: B 2 Ti, B 4 C; cuyas composiciones se dan en la tabla 1; y también AA661 sin reforzar. Para formar las probetas se partió de polvos de la aleación base y de las partículas de refuerzo. Fueron mezcladas en un molino de bolas para lograr una buena homogenización, y luego fueron compactadas en una prensa hidráulica, se obtuvo un cilindro de 25 mm de diámetro y unos 3 mm de altura. Este cilindro de material compactado fue fundido y a continuación colado mediante centrifugación. Se obtuvieron probetas cilíndricas de 5 mm de diámetro y de unos 15 mm de longitud. Se realizaron metalografías de las probetas en los extremos y en el centro para determinar que se haya logrado una buena dispersión de las partículas de refuerzo. Tabla 1: Composiciones y características delas probetas Composición expresada en volumen Tratamiento Morfología del refuerzo 661 T1 -sin reforzar % B 4 C T1 4 a 1 ìm, nodulares % B 2 Ti T1 4 a 1 ìm, irregulares % B 2 Ti T1 idem % B 2 Ti T1 ídem Los equipos utilizados para los ensayos de desgaste fueron dos, ambos del tipo pin on ring, en condiciones no lubricadas. Los equipos, denominados Máquina 1 y Máquina 2, se muestran en la figura 1.a y 1.b, que fueron construidos al efecto en la Universidad Politécnica de Valencia (España) y en la Universidad Nacional de Misiones (Argentina)[4], respectivamente. Muestra Figura 1. Equipos utilizados en los ensayos de desgaste. a) Máquina 1; b) Máquina 2 En ambas los ensayos se realizaron hasta la distancia de 2 metros, realizando interrupciones a distancias intermedias para determinar la evolución del desgaste. Con la Máquina 1, se ensayó a una velocidad de deslizamiento de 1 m/s y una carga normal de 136 N. Se midió además el coeficiente de fricción. Con la Máquina 2, la velocidad de deslizamiento fue de 2.7 m/s utilizando una carga normal de 32.4 N. Previo al ensayo de desgaste se preparó la superficie de las probetas, realizando un desbaste y pulido con papel esmeril hasta malla #12 y terminando con un pulido utilizando partículas de alúmina de 1 ìm. La contraparte tuvo un tratamiento similar de desbaste y pulido. Ambas superficies fueron desengrasadas utilizando acetona de calidad técnica. 534

3 VIII Congreso Nacional de Propiedades Mecánicas de Sólidos La tasa de desgaste se realizó por pesada de la probeta cada cierta cantidad de metros deslizados, 1 metros en los tramos iniciales y luego cada 25 metros. La pesada se realizó con una precisión de.1 g, utilizando para ello balanzas analíticas, una el modelo Kern 77 y otra el modelo Scientech 21, en Valencia y Misiones respectivamente. 3. RESULTADOS Desgaste total En la Máquina 1 el desgaste de la matriz fue de.333 g que es superior a los observados en los compuestos; véase figura 2.a. En la Máquina 2 el desgaste de la matriz fue de.27 g que es levemente menor que en los reforzados con B 2 Ti; véase figura 2.b. El refuerzo de B 4 C es el refuerzo más efectivo de los considerados para las dos máquinas. Con respecto a los tres MMC de B 2 Ti, el de mayor cantidad de refuerzo con un 15% en volumen, es el de inferior resistencia al desgaste en las dos máquinas, y sus cantidades son:.292 g y.299 g.en la Máquina 1 y en la 2, respectivamente.,3,3,2,2,, % B2Ti % B2Ti % B2Ti % B2Ti % B2Ti % B2Ti % B4C 661(matriz) % B4C 661 (matriz) Figura 2. Desgaste total del material ensayado, a) en la Máquina 1; b) en la Máquina 2 Los compuestos con 5 y 1 % de refuerzo tienen similar comportamiento relativo en las máquinas comparadas, a pesar de las diferentes condiciones de cargas y de velocidades. Esto se analizará en la próxima sección Evolución del desgaste En la matriz, en la Máquina 1 se obtiene un buen ajuste lineal en la tasa de desgaste en todo el rango ensayado, frente a lo obtenido en la máquina 2 en donde se pueden distinguir dos tramos, uno para los primeros 4 metros de mayor pendiente y otro con una tasa en el orden del medido en los materiales reforzados. (Figura 3) En lo que respecta a las medidas de pérdida de peso en MMC reforzados con B 2 Ti puede notarse un cambio en el comportamiento a los 125 metros, en ambas máquinas (figuras 4.a y 4.b). Además, se presenta un comportamiento discontinuo en el compuesto reforzado con 5 % de B 2 Ti, el cual presenta bajo desgaste en los primeros 4 metros y a continuación el desgaste es más acentuado. 535

4 Rosenberger, Martínez, Salvador, Forlerer, Amigó y Schvezov pérdida de peso en gramos,4 Máquina 1,3 Máquina 2,2, distancia deslizada en metros Figura 3. Gráficos de pérdida de peso versus distancia deslizada para el material monolitico, comparacion para ambas máquinas. pérdida de peso en gramos,3, %B2Ti 661+1%B2Ti % B2Ti pérdida de peso en gramos,3, % B2Ti % B2Ti % B2Ti distancia deslizada en metros distancia deslizada en metros Figura 4. Gráficos de pérdida de peso versus distancia deslizada para los MMC reforzados con B 2 Ti, a) Máquina 1, b) Máquina 2 El MMC reforzado con B 4 C ha presentado, para ambas máquinas, un comportamiento constante a lo largo de todo el ensayo, tal como puede verse en las figuras 5.a y 5.b. 4. ANALISIS DE RESULTADOS El desgaste total del material monolítico en la Máquina 2 es menor que en la Máquina 1 pero, la presencia de dos regímenes en la Máquina 2 merece un análisis más detallado sobre todo de las condiciones ambientales, siendo la más influyente la humedad relativa ambiente (HR); el efecto de la diferencia de HR entre verano e invierno y su influencia en la tasa de desgaste es destacado por Rabinowicz para desgaste abrasivo sobre aceros. [5] En el presente caso las diferencias ambientales estan asociadas a los diferentes climas en Valencia (España) y en Posadas (Argentina), lugares dode se realizaron los ensayos. El hecho de que el material de la matriz desgaste menos que los MMC en la Máquina 2 hace presumir la presencia de óxidos protectores previos al ensayo, debido a una mayor HR ambiente 536

5 VIII Congreso Nacional de Propiedades Mecánicas de Sólidos Las condiciones que diferencia marcadamente a ambos equipos son los distintos valores de carga y velocidad de deslizamiento. Así para la Máquina 2 se tiene una carga 4 veces menor y una velocidad 2,7 veces más alta, respecto a la Máquina 1. Sobre el efecto de la carga es de conocido que al aumentar ésta aumenta el desgaste, véase Zhang y Alpas [6] y por otra parte se han realizado estudios respecto a la influencia de la velocidad de deslizamiento, expuesto por Lee et al [1], se encontró que dentro de un rango de velocidades se da un aumento en el desgaste al aumentar la velocidad. Por lo tanto, pudó haberse logrado una compensación entre ambos efectos, hecho por el cual los valores obtenidos de desgaste total son similares en ambas máquinas. Para una comparación más precisa debería establecerse condiciones similares en ambos equipos.,3, % B4C 661+5%B2Ti 661matriz, % B4C 661+5%B2Ti 661matriz distancia deslizada, en metros distancia deslizada, en metros Figura 5. Comparación de los MMC con el mismo porcentaje de refuerzos, jonto con el material monolítico, a)máquina 1; b) Máquina 2. Realizando un análisis cualitativo se puede ver que la menor proporción de refuerzo utilizada, del 5 %, es la más beneficiosa en ambas máquinas, ya que no se observa disminución del desgaste con el aumento del refuerzo para cargas muy distintas. Como se han observado la presencia de material de refuerzo en los debris se deduce que se ha producido una decohesión de los mismos. Esto es indicativo de falla por exceso de carga en la matriz. Al incorporarse a la zona de contacto aumentan la incidencia de desgaste abrasivo en la masa total perdida y esto ocurre en forma sustantiva para 15% de refuerzo. La matriz es el eslabón débil del material. El cambio en la tendencia que se presenta en los MMC reforzados con B 2 Ti, a los 125 m da la pauta de que puede haber alguna estabilización en la dinámica de la superficie de desgaste, por lo tanto, puede resultar provechoso, además de la perdida de peso, estudiar la superficie desgastada hasta una distancia menor. En ambas máquinas los resultados para el B 4 C muestran un excelente comportamiento al desgaste, mejorando para las menores cargas aun cuando se aumenten las velocidades. Estos resultados concuerdan cualitativamente con los obtenidos por Roy et al [2], donde encuentran que los materiales reforzados con un 2 %B 4 C tienen un menor desgaste que los reforzados con 2 %B 2 Ti. 537

6 Rosenberger, Martínez, Salvador, Forlerer, Amigó y Schvezov 5. CONCLUSIONES Los resultados obtenidos en ambas máquinas brinda información útil para calificar a los materiales reforzados según su resitencia al desgaste. En cambio, para materiales monolíticos no puede extraerse una resultado concluyente. Es necesario realizar una comparación con las mismas condiciones en ambas máquinas, siendo las principales la velocidad de deslizamiento y la presión de contacto. Así también, debe estudiarse cual es la magnitud de la influencia de la humedad ambiental, en los sistemas aluminio desgastado contra aceros. La mejora suficiente en la resistencia al desgaste se obtiene con un 5% de refuerzo de B 2 Ti. De todos los materiales ensayados el MMC con B 4 C al 5% fue el más resistente al desgaste 6. REFERENCIAS 1. C.S. Lee, Y.H. Kim, K.S. Han, T. Lim. Wear Behabiour of aluminium matrix composite materials, J. Mat. Sci., 27, 793-8, M. Roy, B. Venkataraman, V.V. Bhanuprasad, Y.R Mahajan, G. Sundararajan. The effect of particulate reinforcement on the sliding wear behavior of aluminum composites, Met. Trans. A, 23A, , CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press LLC, R.A. Auras. Mg. Thesis. Producción y Propiedades de Compuestos de Al-Zn y partículas SiC y Alúmina. University of San Martín CNEA, E. Rabinowicz. Friction and wear of material, John Wiley & Sons, New York, J. Zhang, A.T. Alpas. Wear regimes and transitions in Al2O3 particulate-reinforced aluminium alloys, Mat. Sci. Eng., A161, ,