MECANISMO DE DESGASTE DE MATERIALES METÁLICOS PARA MARTILLOS DE MOLINOS DEBIDO A LA ACCIÓN DE PARTÍCULAS EROSIVAS

Transcripción

1 MECANISMO DE DESGASTE DE MATERIALES METÁLICOS PARA MARTILLOS DE MOLINOS DEBIDO A LA ACCIÓN DE PARTÍCULAS EROSIVAS Roberto Sagaró Zamora, José Antonio Gómez Lujo, Lissette Espinosa Fernández, Hipólito Carvajal Fals, Calixto Rodríguez MartÍnez Universidad de Oriente La selección de materiales en la industria de procesamiento de alimentos, donde el desgaste es uno de los fallos más frecuente, constituye un aspecto de interés actual. En el trabajo se evalúa el comportamiento tribológico del acero 65Mn4, con y sin tratamiento térmico, la aleación base níquel Hastelloy C y el recubrimiento superficial por soldadura con una aleación Ni-Cr-Mo. Los ensayos de desgaste fueron realizados por el método ASTM G65-81, y además, en un tribómetro de desgaste erosivo. Los ensayos de microdureza realizados en la sección transversal de la zona erosionada y las caracterizaciones microestructurales, después de las pruebas de desgaste, permitieron establecer los mecanismos básicos: deformación plástica de la zona de impacto, fragilización y finalmente el desprendimiento del material por un mecanismo de fractura frágil (Hastelloy C y recubrimiento base Ni-Cr-Mo), siendo éstos los materiales que exhiben el menor desgaste. Palabras clave: erosión por partículas sólidas, desgaste por impacto, deformación plástica, mecanismo de desgaste. The development of a criterion for selecting materials and coating for processing food industry where wear is a common failure type seems to be very important. In this research was evaluated the wear behavior of 65Mn4 steel with and without heat treatment, Hastelloy C alloy and a weld overlay coating using Ni-Cr-Mo alloy. Wear characteristics were evaluated by ASTM G65-81 method and at the erosion wear tester. Microhardness tests were performed on the samples below the eroded surfaces in order to determine the size of the plastically deformed zone. Microhardness test and microstructural characterizations after erosion testing showed the basic mechanisms: plastic deformation, embrittlement and finally the material is detached by brittle fracture (Hastelloy C and Ni-Cr-Mo coating). These materials exhibit lhe lowest wear rate. Key words: solid particle erosion, impact wear, plastic deformation, wear mechanism. Introducción El fenómeno de desgaste que ocurre en los martillos de molinos de granos de la industria alimenticia posee un gran impacto económicosocial. En los molinos de granos alimenticios (de muy baja dureza), los martillos impactan inicialmente contra el grano, y posteriormente se mueven dentro de la masa, siendo éste un caso de interés sui génesis. La erosión probablemente ocupa un papel preponderante en este proceso, provocado por las características físicas y químicas de los tipos de granos y el funcionamiento de los molinos. La erosión de los materiales ha sido atribuida a un gran número de mecanismos y sus combinaciones, que incluyen el corte, rasurado, extrusión, fragmentación, fractura elástica, fractura elástico plástica y hasta la fusión. Numerosos autores han desarrollado modelos analíticos, pero ninguno de ellos han resultado totalmente satisfactorios. Actualmente, los que se creen más acertados son los que consideran el desgaste erosivo para materiales dúctiles y frágiles, aunque investigaciones realizadas, por ejemplo, por Levin et al. /1/, han demostrado el comportamiento de materiales que imposibilitan considerarle en uno u otro grupo. Las curvas de dinámica de desgaste permiten establecer el período de incubación en el que transcurre el endurecimiento por deformación, y se acumula la suficiente energía para la fractura localizada, seguido de un periodo de desgaste acelerado donde ocurren las mayores pérdidas de material, y posteriormente el estado estacionario. /1/ 41

2 Todavía en la literatura consultada no queda clara la relación entre la dureza del material y la resistencia a la erosión, aspecto que merece especial atención por la comunidad científica. /2, 3/ Un aspecto importante en el que debe profundizarse es que, producto del proceso de erosión, surgen en la superficie de algunos materiales, zonas deformadas plásticamente, los cuales pueden disipar energía de impacto y contrarrestar el proceso de erosión. Por otro lado, cuando un material se comporta como frágil, pese a su gran dureza, presenta alta razón de desgaste, lo que soporta la opinión de los autores en cuanto a la no exclusiva preponderancia del factor dureza en estos casos. En otra importante investigación Zum- Gahr /4/, ha identificado la influencia de las propiedades del material en el desgaste abrasivo, tales como la dureza, el endurecimiento por deformación, la ductilidad, la anisotropía de los cristales y la inestabilidad mecánica, al considerar, por ejemplo, que la resistencia a la deformación elástica/plástica determina el área de contacto entre la partícula abrasiva y el material. En relación con el desgaste abrasivo G. E. Gatzanis /5/, en sus estudios sobre el empleo de diferentes aleaciones en equipos para la minería, ha investigado las propiedades de abrasión y corrosión del acero al cromo 9 %. Las mediciones de dureza en la superficie desgastada y en el resto del volumen del material no sobrepasaron una diferencia de 2-5 %, reflejo de la reducida habilidad de endurecimiento por deformación del material ensayado. En opinión del autor, es importante establecer que durante el proceso de abrasión, la deformación del material y la fractura eventual ocurren en áreas muy localizadas bajo condiciones de altas presiones y altas razones de deformación. Se considera que el dilema estriba, precisamente, en que a los efectos positivos del incremento de la dureza y la resistencia se contrapone la disminución de la ductilidad y la micro y macrotenacidad asociada a ella. Por ejemplo, Barrer y Ball, /6/ han reportado que un incremento de un 30 % en la dureza provoca, sin embargo, un decrecimiento de un 10 % en la resistencia relativa a la abrasión de aceros de mediano contenido de carbono. En el trabajo se evalúa el comportamiento tribológico del acero 65Mn4, con y sin tratamiento térmico, la aleación base níquel Hastelloy C y el recargue superficial de una aleación Ni-Cr-Mo, con el objetivo de ser aplicado como material para la fabricación de martillos de molinos de granos. Materiales y procedimiento experimental En el trabajo, se realizaron ensayos de desgaste abrasivo (figura 1) según la norma ASTM G65 81 (procedimiento A) y pruebas de desgaste erosivo en un tribómetro simulador de las condiciones de trabajo de los molinos de martillos (figura 2 ). Fig. 1 Máquina de ensayo de desgaste abrasivo (ASTM G65 81). Fig. 1 ASTM G65-81 abrasion tester. Fig. 2 Máquina experimental de desgaste erosivo. Fig. 2 Erosion tribometer. 42

3 Cuatro materiales fueron previamente seleccionados para los ensayos: acero 65Mn4 (material usado en martillos de un molino industrial), Hastelloy C, material 65Mn4 recubierto por arco eléctrico manual con aleación Ni-Cr-Mo, y finalmente el propio acero 65Mn4 con tratamiento térmico consistente en un temple a C y revenido a C (65Mn4 TT). En la tabla 1, se muestran las composiciones químicas de los materiales ensayados. Tabla 1 Composición química de los materiales ensayados Table 1 Chemical composition (wt %) of the tested materials Composición química (%) Aceros C Si Mn Cr Ni W Mo Fe S Co V Hastelloy C 0,01 0,03 0, 5 15, , , 5 0,02 1,25 0, 2 Recubrimiento Ni-Cr-Mo < 0,02 < 0, 2 0, 6 16, 5 Resto 4 16, Mn4 0,59 0,19 0,89 0,12 0,03 < 0,01 0,044 97, 9 0,03 < 0,007 0,001 65Mn4 TT 0,59 0,19 0,89 0,12 0,03 < 0,01 0,044 97, 9 0,03 < 0,007 0,001 Los ensayos de desgaste erosivo fueron realizados empleando como partículas erosivas, granos de soya (ph= 6,5), material usualmente empleado en el molino industrial. La velocidad circunferencial de los martillos fue de V = 32 m/ s (1 000 r/min). Los experimentos fueron realizados aleatoriamente, al colocar en cada molino doce probetas, correspondiente a tres réplicas de cada material. Para la obtención de las curvas de dinámica de desgaste de erosivo, las muestras fueron sometidas a diferentes tiempos de exposición (30, 60, 90, 120, 150 h). El desgaste durante los experimentos fue cuantificado, para esto, las probetas erosionadas fueron limpiadas debidamente con acetona y pesadas en una balanza analítica con precisión de 0,000 1g. La razón de desgaste volumétrico se obtuvo como resultado de considerar el desgaste gravimétrico y la densidad de cada uno de los materiales. Los resultados de ambos ensayos de desgaste fueron procesados estadísticamente, considerándose un intervalo de confianza de un 95 %. Las zonas deformadas plásticamente fueron determinadas mediante la realización de mediciones de microdureza Vickers en la sección transversal de cada una de las probetas erosionadas. La determinación de los valores de microdureza, se realizó según la norma ASTM E 384 con valores de carga de P = 100 g. Finalmente, se practicaron caracterizaciones microestructurales usando las técnicas de microscopía óptica a cada una de las muestras erosionadas, de manera tal que se pudieran sacar conclusiones relativas a los mecanismos de desgaste imperantes en cada caso. Resultados y análisis Los materiales analizados presentaron las características microestructurales y dureza que se muestran en la tabla 2. 43

4 Tabla 2 Características microestructurales y dureza de los materiales ensayados Table 2 Microstructural characterizations and hardness of the tested materials Aceros Características metalográficas Dureza (HV 100) Hastelloy C Matriz γ (austenítica) con granos equiaxiales con carburos MoC esféricos en 198 los contornos de granos y formando islas dispersas en la matriz. Recubrimiento Carburos complejos de Ni-Cr-Mo de forma alargada distribuidos de forma 200 Ni-Cr-Mo dispersa en la matriz austenítica 65Mn4 Estructura perlita granular y ferrita Mn4 TT Martensita + perlita y austenita retenida 420 Ensayos de microdureza En el gráfico de la figura 3, se muestran los perfiles de microdureza de la zona erosionada; en el mismo se puede constatar que existió un aumento de la dureza en las capas superficiales de todos los materiales ensayados, aunque en diferentes grados. Los mayores incrementos de dureza superficial los alcanza el material Hastelloy C (2,82 veces); posteriormente el recubrimiento superficial (2,57), el acero 65Mn4 (1,5) y por último el acero 65Mn4 TT (1,03). 600 Microdureza (HV) Ac. 65Mn4 Hastelloy-C Recubrimiento Ni-Cr-Mo Ac. 65Mn4TT Distancia de la superficie erosionada (micrómetros) Fig. 3 Perfiles de microdureza para los diferentes materiales estudiados. Fig. 3 Microhardness profiles for the different tested samples. Debe señalarse que la menor variación de microdureza se obtuvo en el material 65Mn4TT, aspecto que está directamente relacionado con el estado microestructural del material inicial (martensita, perlita y austenita residual), y por consecuencia, sus propiedades mecánicas. El material Hastelloy-C presentó la capa deformada de mayor profundidad, de alrededor de los 340 µm; por otro lado, el recubrimiento superficial alcanza los 280 µm, y finalmente el acero 65Mn4, donde la capa deformada plásticamente sólo alcanza unos 100 µm. Como se puede observar, los materiales Hastelloy C, el recubrimiento Ni-Cr-Mo y el 65Mn4 incrementan apreciablemente su dureza en la vecindad de la superficie erosionada, como resultado de una zona deformada por el impacto con las partículas, y como consecuencia de éstos, un incremento de la densidad de las dislocaciones. El acero 65Mn4TT evaluado, prácticamente no presentó una zona de deformación plástica apreciable. Aquí nuevamente surge un aspecto por valorar, la relación entre la habilidad de generar una capa deformada plásticamente y la resistencia a la erosión. 44

5 Resultados de los análisis metalográficos En la figura 4 (a), se puede apreciar la microestructura austenítica del material y la amplia zona deformada plásticamente del material Hastelloy C. Esta zona presenta una microestructura orientada en el sentido de la deformación plástica. En la micrografía de la figura 4 (b), se verifica entonces el área deformada plásticamente y algunos cráteres que caracterizan este tipo y mecanismo de desgaste. Se observa, además, la microestructura ferrito-perlítica del material generalmente orientada en el sentido de la deformación. Esta constatación realizada por microscopía óptica confirma los resultados del análisis de microdureza y la profundidad de la capa deformada. Fig. 4 (a) Micrografía de la sección transversal de la zona erosionada del acero Hastelloy - C (100x). Reactivo de Murakami (b) Micrografía de la sección transversal de la zona erosionada del acero 65Mn4. (100x) Nital 4%. Fig. 4 (a) Cross section micrograph of eroded zone for Hastelloy C alloy (100x). Murakami s reagent. (b) Cross section micrograph of eroded zone for 65Mn4 steel alloy (100x) Nital 4% reagent. En la figura 5 (a) se muestra una micrografía con la interfase del recubrimiento y el metal base, se observa que el metal base presenta un crecimiento de grano en la zona afectada térmicamente por el ciclo térmico de la soldadura y la zona del depósito Ni-Cr-Mo. Metal base Recubrimiento a Zona deformada Fig. 5 (a) Micrografia de la interface de probetas recubiertas por soldadura con electrodos Ni- Cr-Mo. (b) Micrografia de la sección transversal de la superficie desgastada de probetas recubiertas por soldadura (50x) Reactivo de Murakami. Fig. 5 (a) Interface micrograph of weld overlay coating Ni-Cr-Mo. (b) Cross section micrograph of wearing surface of weld overlay coating (50x) Murakami s reagent. En la figura 5 (b) se puede notar la microestructura no homogénea del recubrimiento, debido a la solidificación fuera de equilibrio que caracteriza normalmente la solidificación en los procesos de soldadura. Se observa también una microestructura de dendritas primarias (fase blanca) y regiones interdendríticas primarias (fase oscura), caracterizadas por los grandes granos columnares de la zona del depósito, con 45

6 microestructura de austenita y ferrita delta y carburos complejos que se forman en los espacios interdendríticos, los cuales pueden contribuir satisfactoriamente en la resistencia al desgaste del depósito. /1/ En la figura 5 (b), se observa la sección transversal de la zona erosionada del recubrimiento, donde se aprecia la capa deformada. Ensayos de desgaste abrasivo Los resultados de los ensayos de abrasión se comportaron según lo reportado en la literatura especializada /7,8,9/. Como se puede observar en la tabla 3, la mayor resistencia al desgaste abrasivo la presentó el acero 65Mn4TT con temple y revenido como resultado de su mayor dureza. Tanto el recubrimiento Ni-Cr-Mo como el Hastelloy C (ambas aleaciones base níquel) presentaron los mayores desgastes abrasivos. Los resultados mostrados en la tabla III permiten demostrar el incremento de la resistencia al desgaste abrasivo con el aumento de la dureza. Tabla 3 Pérdidas volumétricas de los ensayos de abrasión Table 3 Volumetric wear after abrasion tests Aceros Pérdidas volumétricas (mm 3 ) Ac.65Mn4TT 22,2 Ac.65Mn4 53,7 Hastelloy-C 74,6 Rec. Cr-Ni-Mo 89,1 Ensayo de desgaste erosivo El análisis de los resultados de microdureza y microestructural confirma el mecanismo de desgaste por erosión que actúa en los materiales estudiados, el cual según Levin et al. /1/ probablemente es la deformación plástica y fractura, que caracteriza a los materiales con un grado de ductilidad elevado como son los del caso del material Hastelloy C, recubrimiento base Ni-Cr-Mo y el 65Mn4. Ya el material 65Mn4TT se comporta según el mecanismo de desgaste abrasivo para material frágil, al no presentar una aparente zona deformada plásticamente en la superficie erosionada. Desgaste Volumétrico (mm 3 ) Ac.65Mn4 Ac.65Mn4TT Hastellloy-C Rec. Cr-Ni-Mo Tiempo (horas) Fig. 6 Dinámica de desgaste erosivo de los materiales ensayados. Fig. 6 Wear erosion kinetics diagram for tested materials. 46

7 En el gráfico de la figura 6, se muestran las curvas de dinámica de desgaste para todos los materiales ensayados, estas curvas permiten establecer el período de incubación en el que transcurre el endurecimiento por deformación, y ocurren las mayores pérdidas de material y el estado estacionario, donde disminuye la velocidad de desgaste. Se verifica en la gráfica que los materiales Hastelloy C y el recubrimiento Ni-Cr-Mo, poseen un comportamiento de la dinámica de desgaste muy similar, esto es el resultado de que ambos materiales tienen características microestructurales y plasticidad semejantes, aspectos que influyen en la profundidad de la capa deformada plásticamente, mientras que los materiales 65Mn4 y 65Mn4TT presentan una dinámica de desgaste similar, pese a tener mecanismos de desgaste diferente, como quedó demostrado en el trabajo. Debe explicarse, que si bien no existe relación de la dureza inicial del material con el desgaste por erosión de materiales que se deforman plásticamente, por otro lado quedó demostrado en el trabajo, que la profundidad de la capa endurecida posee una relación directa con la capacidad del material de endurecerse por deformación plástica. Conclusiones Los materiales Hastelloy C y el recubrimiento Cr-Ni-Mo presentaron las menores pérdidas de desgaste erosivo, basado en la formación de una capa deformada plásticamente, que absorbe la energía de impacto erosivo. El material 65Mn4 tratado térmicamente presentó las mayores pérdidas en el desgaste erosivo, a pesar de tener los mayores valores de dureza iniciales, ocurriendo por un mecanismo de fractura frágil. Se comprobó que en los materiales dúctiles, el desgaste erosivo aparece como el resultado del mecanismo que incluye deformación plástica, fragilización y fractura. Bibliografía 1. Levin, B. F. et al., "Weld Overlay Coatings for Erosion Control", Wear , 1995, págs Berns, H. et al., Wear Water, , págs Finnie, I., Erosion of Surface by Solid Particles, Shell Development Company, Emeryville, California, USA. 4. Zum-Gahr, K., "Formation of Wear Debris by the Abrasion of Ductile Metals", Wear 74, , págs Gatzanis, E., "The Abrasion and Abrasion- Corrosion Properties of 9 % Chromium Steel", Wear 165, 1993, págs Ball, A., "On the Importance of Work Hardening in the Design of Wear Resistant Materials", Wear 91, 1983, págs Fiset, M., "Three Body Impact Abrasion Laboratory Testing for Grinding Ball Materials", Wear 217, 1998, págs Wang, J., "Effect of Martensite and Austenite on Grinding Media Wear", Wear 122, 1998, págs Barker, K. et al., "Synergictic Abrasive-Corrosive Wear of Chromium Containing Steels, Br", Corros. J., 24 (1989) (3), págs