Tecnura ISSN: X Universidad Distrital Francisco José de Caldas Colombia

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1 Tecnura ISSN: X Universidad Distrital Francisco José de Caldas Colombia CAICEDO, HOLMAN FRANCISCO; VALDÉS O., JAIRO ANTONIO; CORONADO MARÍN, JOHN JAIRO Caracterización de recubrimientos duros frente al desgaste abrasivo a tres cuerpos Tecnura, vol. 9, núm. 17, 2005, pp Universidad Distrital Francisco José de Caldas Bogotá, Colombia Disponible en: Cómo citar el artículo Número completo Más información del artículo Página de la revista en redalyc.org Sistema de Información Científica Red de Revistas Científicas de América Latina, el Caribe, España y Portugal Proyecto académico sin fines de lucro, desarrollado bajo la iniciativa de acceso abierto

2 Caracterización de recubrimientos duros frente al desgaste abrasivo a tres cuerpos Description of hardfacings to three-body abrasive wear HOLMAN FRANCISCO CAICEDO Estudiante de Ingeniería Mecánica de la Universidad del Valle (Colombia). Integrante del Grupo de Investigación en Mejoramiento Industrial. francai3748@yahoo.com JAIRO ANTONIO VALDÉS O. Ingeniero Mecánico, Magíster en Materiales y Procesos de Fabricación de la Universidad Nacional de Colombia. Docente de la Escuela de Ingeniería Mecánica, Universidad del Valle (Colombia). jvaldes@univalle.edu.co JOHN JAIRO CORONADO MARÍN Ingeniero Mecánico, Magíster en Ciencias en Ingeniería Mecánica de la Universidad de Puerto Rico. Docente de la Escuela de Ingeniería Mecánica, Universidad del Valle (Colombia). johncoro@univalle.edu.co johnjairocoronado@yahoo.com Clasificación del artículo: investigación Fecha de recepción: agosto 01 de 2005 Fecha de aceptación: diciembre 16 de 2005 Palabras clave: desgaste abrasivo, recubrimientos duros, microestructuras, resistencia al desgaste. Key words: abrasive wear, hardfacing, microstructures, wear resistance. R ESUMEN En este trabajo de investigación se estudiaron cinco recubrimientos duros ricos en cromo empleados en la industria azucarera. Se evaluaron ante el desgaste abrasivo a tres cuerpos usando la rueda de caucho con chorro de arena seca, de acuerdo con el procedimiento A de la norma ASTM G65. Las probetas con los recubrimientos se analizaron empleando un microscopio óptico y un durómetro Rockwell. La mayor resistencia al desgaste abrasivo se obtuvo para el recubrimiento con microestructura formada por matriz eutéctica, carburos primarios de cromo del tipo M 7 y carburos complejos ricos en Nb, Mo, W y V. Los recubrimientos que tuvieron una composición eutéctica y sin carburos presentaron una baja resistencia a la abrasión. No se encontró ninguna relación entre la dureza y la pérdida de masa de los recubrimientos. A BSTRACT In this work five high-chromium hardfacing alloys used in the sugar cane industry were studied. The hardfacings were evaluated to three-body abrasive wear using a dry sand-rubber wheel machine, according to the procedure A of ASTM G65 standard. The hardfacing alloys were analyzed with optical microscope and Rockwell hardness tester. The 16 Tecnura año 9 No.17 segundo semestre de 2005

3 highest wear resistance was obtained in the hardfacing with microstructure composed by eutectic, chromium primary carbides of type M 7 and complex carbides rich in Nb, Mo, W, and V. The hardfacing with eutectic microstructure composition and without carbides, presented low wear resistance. No relation between hardness and the mass loss of the hardfacings was observed. * * * 1. Introducción El desgaste abrasivo es un tipo de desgaste muy común y al mismo tiempo bastante serio. Se presenta cuando interactúan dos superficies que están en contacto físico directo y una de ellas es significativamente más dura que la otra. Bajo la acción de una carga normal las asperezas de la superficie dura penetran la superficie del material más blando produciendo deformaciones plásticas; al inducir un movimiento tangencial, el material es removido de la superficie blanda por una acción combinada de micro-surcado y micro-corte (Stolarski, 1990). El desgaste abrasivo se presenta en muchas situaciones reales de las industrias minera, agrícola y azucarera, entre otras. Debido a que el reemplazo de las partes desgastadas es muy costoso, es importante prestar mayor atención en los métodos usados para reducir el desgaste (Misra, 1980). En la literatura existen muy pocos estudios sobre el efecto del desgaste abrasivo a tres cuerpos en recubrimientos duros; algunos de ellos se han centrado especialmente en caracterizar el efecto de las partículas abrasivas sobre el coeficiente de fricción (Pintaude, 2003) y el efecto del porcentaje de carburo en el hierro fundido blanco, por ser un material de alta resistencia al desgaste abrasivo (Albertin, 2001). En la industria azucarera los elementos de preparación de caña de azúcar son conocidos como desfibradoras. Ellas están compuestas por una serie martillos que se encargan de golpear la caña para que las fibras queden abiertas y así obtener con mayor facilidad el jugo de la caña durante el proceso de molienda. Debido a que en la superficie de la caña se encuentra material mineral extraño (en especial arena) en cantidades que varían de acuerdo con el suelo sembrado, los martillos de las desfibradoras se desgastan rápidamente (figura 1). Dada esta circunstancia y con el fin de simular el proceso de desgaste, en este artículo se evalúan cinco recubrimientos duros ante el desgaste abrasivo utilizando como parámetro de comparación los resultados obtenidos en ensayos en máquina de tipo rueda de caucho-arena seca, de acuerdo con la norma ASTM G65. Figura 1. Martillos de desfibradora desgastados 2. Desarrollo experimental 2.1 Prueba de desgaste abrasivo a tres cuerpos Existen dos grandes grupos para clasificar el desgaste abrasivo: a dos y a tres cuerpos. El desgaste a dos cuerpos ocurre cuando las partículas abrasivas o asperezas están fijas en un segundo cuerpo que desliza sobre otro removiendo material. En el desgaste abrasivo a tres cuerpos las partículas están libres para rodar, de tal forma que no retiran material del primer cuerpo durante todo el tiempo que están en contacto. Consecuentemente, los ensayos de abrasión a dos cuerpos representan tasas Caracterización de recubrimientos duros frente al desgaste abrasivo a tres cuerpos HOLMAN FRANCISCO CAICEDO / JAIRO ANTONIO VALDÉS O. / JHON JAIRO CORONADO MARÍN 17

4 de desgaste mayores que los ensayos de abrasión a tres cuerpos (Nathan, 1966). La prueba de desgaste abrasivo a tres cuerpos se llevó a cabo de acuerdo con la norma ASTM G65; se utilizó como material abrasivo arena AFS 50/70, con un flujo constante de 5 g/s. En la figura 2 se muestran las partículas abrasivas observadas en un microscopio estereoscópico. La carga aplicada durante el ensayo fue de 130N, como se especifica en la norma para el procedimiento A (tabla 1), el cual es empleado para materiales de media a extrema resistencia a la abrasión. Figura 2. Morfología del abrasivo a 45X llegaba al valor calculado para cada prueba determinaba la finalización de la misma. Número de revoluciones = m/perímetro de la rueda (1) En la figura 3 se muestra la máquina de desgaste abrasivo a tres cuerpos usada durante los ensayos 1. La arena se deposita en la tolva, desciende por una manguera y sale por la boquilla entrando en contacto con la rueda de caucho y la probeta o muestra. La probeta se desgasta dejando una huella sobre la muestra y posteriormente se pesa en una balanza con resolución de 0,0001g para medir la pérdida de masa. La arena fue tamizada previamente para evitar que las partículas grandes obstruyeran la boquilla de salida interrumpiendo el flujo constante. Figura 3. Máquina de desgaste abrasivo a tres cuerpos Tabla 1. Relación fuerza aplicada - abrasión lineal para cada procedimiento La revolución de giro del motor fue de 208 rpm (velocidad permisible según la norma) durante cada una de las pruebas (el total de revoluciones a que giró la rueda por prueba fue calculado para cada probeta). De acuerdo con la norma ASTM G65, para cada probeta la rueda debe recorrer una distancia de m; por esta razón, cuando la rueda se desgastó se recalculó el total de revoluciones para cada ensayo en función de su perímetro, de acuerdo con la relación (1). Las revoluciones fueron registradas por un contador de ciclos y cuando 2.2. Recubrimientos Usando soldadura de arco eléctrico se depositaron cinco recubrimientos duros con dos capas sobre una platina de acero ASTM A36. Posteriormente fueron cortadas usando discos abrasivos hasta obtener las dimensiones normalizadas de las probetas de 65 mm de longitud, 25,4 mm de ancho y 12,7 mm de espesor. En la tabla 2 se muestra la composición química de cada recubrimiento o soldaduras suministradas por los fabricantes. To- 1 Este equipo fue construido por el Grupo de Investigación en Mejoramiento Industrial de la Escuela de Ingeniería Mecánica de la Universidad del Valle. 18 Tecnura año 9 No.17 segundo semestre de 2005

5 dos los recubrimientos usados son ricos en cromo, pero a diferencia de los demás, los números 1 y 3 contienen niobio. Tabla 2. Composición química de las soldaduras depositadas La gráfica 1 ilustra la pérdida de masa de cada tratamiento en función del número de probetas sometidas a desgaste abrasivo y la tabla 3 presenta los datos de pérdida de masa, resistencia a la abrasión, dureza y carbono equivalente de los recubrimientos. La probeta con recubrimiento 1 presentó la menor pérdida de masa, es decir, la mayor resistencia al desgaste 2 ; en orden le siguen el recubrimiento 2, y así sucesivamente hasta el recubrimiento 5. Aplicando dos capas, la dureza no presentó mayor variación en los cinco recubrimientos; esto significa que la dureza no tuvo correlación con la resistencia al desgaste abrasivo. Este resultado coincide con el trabajo realizado por Gutiérrez et al. (2004), quienes encontraron que la dureza de los recubrimientos ensayados no está relacionada con la resistencia a la abrasión; ellos aplicaron una sola capa de recubrimientos duros con alto contenido de Cr y W sobre un sustrato de acero estructural A36. Adicionalmente, Buchely et al. (2005) encontraron una relación entre la resistencia al desgaste y la dureza; esta última aumentaba con la cantidad de capas depositadas (en sus experimentos aplicaron una, dos y tres capas sobre el metal base, que aumentaron la formación de carburos debido a la menor dilución). El carbono equivalente (Reina, 1988) se calculó empleando la ecuación (2). El recubrimiento 1 presentó mayor carbono equivalente y el 5 presentó el menor; es decir, la resistencia al desgaste abrasivo fue proporcional al valor calculado de carbono equivalente (a excepción de los resultados del recubrimiento 4, debido probablemente a la dilución entre el sustrato y el recubrimiento que impidió la formación de carburos primarios). 2 La pérdida de masa se calcula con el inverso del cociente de la pérdida de masa y la distancia recorrida. Gráfica 1. Pérdida de masa de los recubrimientos Caracterización de recubrimientos duros frente al desgaste abrasivo a tres cuerpos HOLMAN FRANCISCO CAICEDO / JAIRO ANTONIO VALDÉS O. / JHON JAIRO CORONADO MARÍN 19

6 Tabla 3. Pérdida de masa, resistencia a la abrasión, dureza y carbono equivalente de los recubrimientos (2) 2.3 Análisis metalográfico Las probetas sometidas a desgaste abrasivo fueron pulidas con alúmina de 0,3 micras, atacadas con nital al 2% y posteriormente observadas en un microscopio óptico. A continuación se presentan los recubrimientos en orden descendente con respecto a la resistencia al desgaste, es decir, del máximo al mínimo Recubrimiento 1 Luego de realizar el estudio metalográfico de la probeta con recubrimiento o blindaje 1, en la figura 4 puede apreciarse una microestructura típica de las fundiciones blancas al cromo hipereutéctica. Se pueden diferenciar dos constituyentes principales: los carburos primarios de cromo del tipo M 7 y la matriz eutéctica. Este tipo de carburo M 7 fue reportado por Buchely et al. (2005) en recubrimientos ricos en Cr e identificados por EDS en un microscopio electrónico de barrido (SEM). Los carburos primarios de cromo M 7 se caracterizan por formarse con una geometría de paralelepípedo de base hexagonal (barras hexagonales), los cuales crecen con un sentido preferencial determinado por la dirección en la cual fluye el calor. Este recubrimiento fue el que presentó la mayor resistencia al desgaste, debido a que se formaron carburos primarios de gran tamaño. En el recubrimiento 1 también se encontraron carburos globulares distribuidos uniformemente, probablemente formados a partir de elementos de aleación como Nb, Mo, W y V (identificados por Buchely et al. (2005) usando EDS-SEM), ya que al tener un punto de fusión más alto forman carburos complejos de alta estabilidad termodinámica, elevada dureza y que se generan a temperaturas altas a partir del metal líquido, pero de menor tamaño que los carburos tipo M 7. Chatterjee et al. (2003) encontraron que el niobio es un elemento que incrementa el número de carburos de cromo y que el molibdeno es un agente de endurecimiento de la matriz que aumenta la resistencia a la abrasión del recubrimiento; sin la adición de niobio o molibdeno se requiere más cromo y carbono en los recubrimientos para obtener similar resistencia a la abrasión. Figura 4. Fotomicrografía a 400X del recubrimiento Recubrimiento 2 En la figura 5 puede observarse que el recubrimiento 2 presenta una microestructura compuesta por carburos primarios de cromo (M 7 ) embebidos en una matriz eutéctica típica de las fundiciones blancas al cromo hipereutécticas. Se encontró que este tipo 20 Tecnura año 9 No.17 segundo semestre de 2005

7 de microestructura presenta una mejor respuesta al desgaste abrasivo al compararse con las aleaciones hipoeutécticas y eutécticas. Figura 5. Fotomicrografía a 400X del recubrimiento Recubrimiento 4 La microestructura correspondiente al recubrimiento 4 presentó básicamente las características típicas de una solidificación eutéctica. En la figura 7 se observa la presencia de un solo constituyente, el eutéctico, conformado por una fina mezcla de austenita y carburo de hierro. Figura 7. Fotomicrografía a 400X del recubrimiento Recubrimiento 3 En el análisis metalográfico del recubrimiento 3 se encontraron los constituyentes típicos de una fundición blanca al cromo de composición hipoeutéctica en la que se distinguen dos constituyentes: las dendritas de austenita primaria embebidas en la matriz eutéctica (figura 6). Al igual que en el recubrimiento 1, para este tipo de blindaje se encontraron carburos globulares, formados probablemente a partir del niobio, distribuidos homogéneamente y en menor cantidad. No se encontraron carburos del tipo M 7, a pesar del alto contenido de cromo, probablemente debido a la dilución del metal base a la soldadura Recubrimiento 5 La microestructura correspondiente a este blindaje presentó también las características típicas de una solidificación eutéctica. En la figura 8 se observa la presencia del eutéctico; este recubrimiento presentó la menor resistencia al desgaste, debido a que no se formaron carburos primarios. Figura 8. Fotomicrografía a 400X del recubrimiento 5 Figura 6. Fotomicrografía a 400X del recubrimiento 3 Caracterización de recubrimientos duros frente al desgaste abrasivo a tres cuerpos HOLMAN FRANCISCO CAICEDO / JAIRO ANTONIO VALDÉS O. / JHON JAIRO CORONADO MARÍN 21

8 2.4 Análisis de la superficie de desgaste La figura 9 muestra las superficies de desgaste en los cinco recubrimientos, tomadas en el microscopio estereoscópico a 7X. Las superficies de desgaste del recubrimiento 1 presentaron un mecanismo de desgaste abrasivo especialmente por micro-surcado, ya que los carburos primarios y complejos se oponen al micro-corte causado por las partículas abrasivas. Los recubrimientos 2, 3 y 4 presentaron un mecanismo de desgaste por micro-surcado y micro-corte; el 5 presentó un mecanismo de desgaste especialmente de micro-corte, ya que no posee carburos primarios que lo contrarresten, lo cual contribuyó a la mayor pérdida de masa del recubrimiento. Figura 9. Superficies de desgaste en los recubrimientos a 7X 2.5 Análisis estadístico Para el análisis del experimento se utilizaron los datos (masa inicial y final para cada probeta) obtenidos de la prueba de desgaste abrasivo, norma ASTM-G65. En la tabla 4 se presentan los datos obtenidos del análisis de varianza. El método estadístico realizado consistió en el análisis de varianza de un solo factor (Walpole, 1992), del cual se concluyó que por lo menos dos de los recubrimientos duros empleados presentan un efecto sobre la resistencia al desgaste abrasivo. Tabla 4. Resultados generales del experimento 22 Tecnura año 9 No.17 segundo semestre de 2005

9 3. Discusión El recubrimiento 1 presentó una resistencia al desgaste abrasivo más elevada que los demás, debido a la formación de carburos de cromo del tipo M 7 y carburos complejos, probablemente a partir de Nb, Mo, W y V (elementos que están presentes en el recubrimiento según datos técnicos suministrados por el fabricante) que aumentan la resistencia a la abrasión oponiéndose al micro-surcado y al micro-corte, debido a una dureza muy superior a la de la matriz. En los resultados de la prueba de desgaste se encontró que el recubrimiento 3, de tipo hipoeutéctico, con dendritas de austenita y carburos probablemente de niobio, presenta menor resistencia al desgaste en comparación con las aleaciones hipereutécticas, pero su resistencia a la abrasión fue superior que las aleaciones del tipo eutéctico, que no presentaron carburos primarios. De estos resultados puede concluirse que para obtener alta resistencia al desgaste abrasivo es necesaria una solidificación hipereutéctica con presencia de carburos primarios. Los valores de dureza de los recubrimientos fueron muy similares, en un rango entre 52 y 55 HRC; es decir, la dureza no fue proporcional a la resistencia a la abrasión. 4. Conclusiones Realizando evaluaciones en la máquina de rueda de caucho-arena seca, la microestructura que mejor resistencia al desgaste abrasivo presenta es aquella en la que se encuentran carburos primarios de cromo de gran tamaño (tipo M 7 ) y carburos complejos de Nb, Mo, W y V embebidos en una matriz eutéctica. Los carburos globulares finamente dispersos que se forman a partir de los elementos adicionales de aleación no brindan una protección al desgaste tan efectiva como los carburos primarios de cromo de mayor tamaño, que se oponen al mecanismo de micro-corte. Por tanto, en aplicaciones de desgaste abrasivo es más importante asegurar una baja dilución del metal base para obtener una solidificación hipereutéctica, que incluir elementos adicionales formadores de carburos. Depositando dos capas ricas en W sobre un sustrato de acero estructural ASTM A36 no se encontró una relación entre dureza y resistencia al desgaste abrasivo; no obstante, sí una relación proporcional entre carbono equivalente y resistencia al desgaste abrasivo. Existe un efecto o influencia de los tratamientos sobre la variable respuesta; por tanto, la correcta elección del recubrimiento y su procedimiento de aplicación son de gran importancia para obtener la mejor resistencia al desgaste abrasivo. Referencias bibliográficas [1] STOLARSKI, T. A. (1990). Tribology in machine design. Butterworth Heinemann. [2] MISRA, A. AND FINNIE, I. (1980). A classification of three-body abrasive wear and design of a new tester. Wear, vol. 60, pp [3] CHATTERJEE, S. AND PAL, T. K. (2003). Wear behavior of hardfacing deposits on cast iron. Wear, vol. 255, pp [4] BUCHELY, J. C.; GUTIÉRREZ, L. M.; LEÓN, L. M.; TORO, A. (2005). The effect of microestructure on abrasive wear of hardfacing alloys. Wear, vol. 259, pp [5] LEÓN, L. M. GUTIÉRREZ, L. M.; TORO, A. (2004). Relación microestructura resistencia al desgaste de recubrimientos duros ricos en cromo y tungsteno aplicados por soladura eléctrica (SMAW). Dyna, núm. 144, pp [6] GUTIÉRREZ, L. M.; LEÓN, L. M.; MESA, D. H.; TORO, A. (2004). Evaluación de la resistencia al desgaste abrasivo en recubrimientos duros para aplicaciones en la industria minera. En: Scientia et Technica, año X, núm. 25, pp [7] PINTAUDE, G.; TANAKA, D. K.; SINATORA, A. (2003). The effects of abrasive particle size on the sli- Caracterización de recubrimientos duros frente al desgaste abrasivo a tres cuerpos HOLMAN FRANCISCO CAICEDO / JAIRO ANTONIO VALDÉS O. / JHON JAIRO CORONADO MARÍN 23

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