8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco, 23 al 25 de Octubre de 2007 ANALISIS DEL DESGASTE POR FATIGA DE CONTACTO POR RODADURA (FCR) EN ACERO AISI 4320 CON RECUBRIMIENTO SUPERFICIAL DE TiN Vera Cárdenas E. E. *, Vite Torres M. o, Aguilar Rosales J. o * Universidad Tecnológica de Tulancingo, Camino a Ahuehuetitla 301, Col. Las Presas, C.P. 43642, Tulancingo Hgo., Tel. (775) 75 58210 ext. 26. o SEPI, ESIME, IPN, UP Adolfo López Mateos Edificio 5 tercer piso. Av. IPN S/N, Colonia Lindavista, México D.F. C.P. 07738, México. Teléfono: (55) 57296000 Ext: 54809 * e-mail: eeverac@yahoo.com RESUMEN En este trabajo se analiza en forma experimental el comportamiento al desgaste por FCR en un acero AISI 4320 con recubrimiento superficial de TiN, el cual, es un acero normalizado aplicado en la fabricación de rodamientos (ASTM A295, A485, A534, A535), a fin de poder analizar el daño superficial ocasionado por la grieta que se genera por la fatiga del material, cuando es sometido a un contacto puntual, por medio de balines de acero de un rodamiento comercial. Las probetas fueron ensayadas en una máquina tribológica de FCR, en condición lubricada, empleando un aceite Shell Tellus 100, con una viscosidad de 90-100 cst a 40 o C. Se utilizó una carga de 5.8 N por cada contacto balín-probeta. La carga de trabajo se seleccionó de tal manera que se generara una falla superficial en las probetas de ensayo, superando el límite de fluencia en fatiga del material para ocasionar así la microplasticidad, para esto, se empleo una relación Po/kk= 5.5. La velocidad de rotación fue de 1560 rpm. En general, las condiciones de operación empleadas en los ensayos, son aquellas que provocan un tipo de falla superficial temprano ( λ <1), ya que actualmente, es la que tiene más presencia en los equipos mecánicos modernos. Para este trabajo en particular se obtuvo un factor λ = 0.2873. PALABRAS CLAVE: Fatiga por contacto de rodadura, recubrimiento superficial, desgaste superficial.
INTRODUCCION El fenómeno de Fatiga de Contacto por Rodadura (FCR) se presenta en aquellos sistemas, principalmente, de naturaleza mecánica en donde una o varias partes tienen un movimiento giratorio que se encuentran en contacto con otras piezas que son parte del mismo sistema. Debido a ello se generan cargas cíclicas que a la vez ocasionan microfisuras, lo cual induce a la falla del elemento. El desgaste por FCR se manifiesta específicamente en sistemas mecánicos, tales como: Rueda-riel, leva-seguidor, engranes, rodamientos, neumático-concreto, etc. En el caso específico de los rodamientos, muestran una gran resistencia a la FCR, que para fines prácticos se considera infinita. Sin embargo, en la práctica se observa que la vida de éstos, se ve sensiblemente reducida, por problemas relativos a su diseño, montaje, operación y mantenimiento. En el proceso de FCR generalmente se involucran las siguientes manifestaciones [1]: 1. Apilamiento de dislocaciones sobre inclusiones, provocado por tensiones repetitivas. 2. Nucleación de huecos o microfisuras en regiones de máximo esfuerzo Hertziano o cerca de discontinuidades en la microestructura, tales como, límites de grano, porosidades o inclusiones. 3. Propagación de microfisuras a la subsuperficie. 4. Unión de fisuras subsuperficiales y movimiento de la fisura hacia la superficie. 5. Formación de escamas, picaduras (pits) o astillas (spalls). 6. Avance del daño hacia regiones adyacentes a la superficie. 7. Iniciación de macrofisuras por fatiga a partir del daño superficial producido por astillamiento. En este trabajo se hace un análisis del desgaste por FCR para el acero AISI 4320 con diferentes tratamientos térmicos y superficiales. Trabajos similares han sido realizados por R. Dommarco [2] y J.E. Fernández [3]. ACERO AISI 4320 Este material es un acero grado maquinaria de baja aleación al níquel-cromo-molibdeno, con el siguiente porcentaje de elementos: C Si Mn P máx. S máx. Cr Mo Ni 0.17-0.22 % 0.15-0.35 % 0.45-0.65 % 0.035 % 0.040 % 0.40-0.60 % 0.20-0.30 % 1.65-2.00 % El acero 4320, es un material de baja aleación muy útil para cementación cuando la resistencia del núcleo se requiera incrementar mediante temple. Se utiliza en piezas de dimensiones medias que deben presentar resistencia y tenacidad muy elevadas después de haber sido cementadas y templadas; tales como: engranes, coronas y grupos diferenciales, entre otros [4]. TRATAMIENTOS TERMICOS Y SUPERFICIALES Los tratamientos utilizados en este trabajo fueron: cementado y recubrimiento superficial con TiN; realizados amablemente por las empresas Inducciones Técnicas S.A. de C. V. y Oerlikon Balzers Coating México S.A. de C.V., respectivamente. Cabe mencionar, que las probetas primeramente fueron cementadas, rectificadas y posteriormente se les aplicó el recubrimiento superficial. A continuación se presenta una breve descripción de cada uno de estos tratamientos [5]. Cementado Es un procedimiento en el cual un acero se austeniza en una atmósfera o en un ambiente rico en carbono. Este se difunde hacia el interior de la red cristalina del material en bulto. Lo que permite a la vez que la austenita pueda disolver altos porcentajes de carbono. La temperatura usual de cementación es cercana a los 950 o C y la profundidad de capa lograda depende del tiempo y de la dureza deseada. Para las probetas empleadas, la dureza promedio obtenida fue de 62 HRC con una profundidad de capa de 1 mm. Recubrimiento con TiN Es un proceso de endurecimiento superficial, en el cual, aleaciones ferrosas, usualmente de especial composición, son calentadas en una atmósfera de amoniaco o en contacto con material nitrogenado para producir una dureza superficial por absorción de nitrógeno sin temple posterior o final. La microdureza promedio alcanzada fue de 2220 HV con una profundidad de capa de 4 µ m. La rugosidad media obtenida en las probetas fue de 0.35 µ m.
METODOLOGÍA EXPERIMENTAL El equipo utilizado, es una máquina tribológica diseñada y construida por el grupo de Tribología de la SEPI- ESIME- Zacatenco- IPN, (figura 1) [6] y permite realizar ensayos de FCR específicamente a rodamientos axiales de bolas. El equipo consiste básicamente de un motor que hace girar un eje en el cual se colocan las probetas a ensayar. Un sensor (transductor piezoeléctrico) detecta la vibración ocasionada por la imperfección en la trayectoria de rodadura, si la vibración alcanza una amplitud a la cual está calibrado, la máquina se detiene, concluyendo la prueba. Asimismo, cuenta con un reloj, el cual proporciona las horas de duración del ensayo. La velocidad a la que se realizaron los ensayos fue de 1560 rpm. Las probetas fueron ensayadas en condiciones lubricadas. El aceite lubricante empleado fue un Shell Tellus 100. La lubricación se hizo por inmersión, lográndose la recirculación del fluido por medio del aprovechamiento de la fuerza centrífuga producida por el giro de la probeta. La carga aplicada fue de 100 N. Figura 1: Máquina Tribológica para ensayos de Fatiga por Contacto de Rodadura RESULTADOS EXPERIMENTALES Microscopía óptica de las probetas ensayadas. En la figuras 2, 3, 4 y 5, se pueden observar las diferentes formas de desgaste presentadas en cada una de las probetas ensayadas. En el caso de la probeta A1, la presencia de grietas, acompañadas por las huellas de desgaste, son más notorias. En el caso de las probetas A2, A3 y A4, no hubo una marcada formación de grietas, sin embargo, si hubo desprendimiento de material. a) b)
c) d) e) f) Figura 2: Microscopia óptica de probeta A1. a) 40X. b) 45X. c) 40X. d) 45X. e) 50X. f) Probeta ensayada a) b)
c) d) e) f) Figura 3: Microscopia óptica de probeta A2. a) 45X. b) 48X. c) 45X. d) 48X. e) 48X. f) Probeta ensayada a) b)
c) d) e) f) Figura 4: Microscopia óptica de probeta A3. a) 45X. b) 45X. c) 45X. d) 45X. e) 50X. f) Probeta ensayada a) b)
c) d) e) f) Figura 5: Microscopia óptica de probeta A4. a) 45X. b) 48X. c) 48X. d) 40X. e) 45X. f) Probeta ensayada Determinación de la Vida en ciclos para la FCR. La tabla 1, muestra los resultados de la vida en ciclos de los ensayos realizados. El número de ciclos de carga por revolución de probeta, se obtiene a partir de la fórmula propuesta por Glover [7], la cual se basa en consideraciones estrictamente geométricas, y permite conocerlo de forma muy aproximada. Estos valores se representan gráficamente en la figura 6. Tabla 1: Vida en ciclos de las probetas ensayadas Muestra Duración (Hrs) Vida (ciclos x 10 3 ) A1 0.55 50.28 A2 0.58 53.09 A3 0.46 42.11 A4 0.43 39.36
VIDA A LA FCR VIDA (MILES DE CICLOS) 60 50 40 30 20 10 50,28 53,09 42,11 39,36 0 A1 A2 A3 A4 MUESTRA Figura 6: Comportamiento de las probetas ensayadas en la vida a la FCR DISCUSIÓN DE RESULTADOS Las probetas presentaron inmediatamente un deterioro en su superficie, dejando al descubierto el material base, al estar sometidas al fenómeno de desgaste por fatiga por contacto de rodadura, esto claro, bajo las condiciones de operación utilizadas (velocidad, carga, tipo de lubricación y lubricante, acabado superficial, espesor de recubrimiento, etc). Puede observarse, que la vida a la FCR es muy pequeña, más a aún, si se compara con los resultados obtenidos en otros trabajos realizados, por ejemplo, con muestras nitruradas o cromadas [8]. La presencia rápida de las huellas de desgaste (desprendimiento de material), y en algunos casos de grietas, pudo deberse a la poca adherencia de los recubrimientos al sustrato, que al someterse al desgaste por FCR, se desprendieron con cierta facilidad dejando al descubierto el material base, esto como resultado de la variación de los esfuerzos cíclicos del contacto por rodadura, ya que una vez que se inicia la formación de la grieta en la superficie de rodadura, esta sigue creciendo por los cambios en el campo de esfuerzos por contacto Hertziano [9]. Los recubrimientos superficiales duros han mostrado gran desempeño en aplicaciones tales como: recubrimiento de herramientas de corte, proceso de estampado y formado, inyección de plástico, forja en caliente, entre otras. Sin embargo, en este trabajo en particular, el recubrimiento de TiN no ofreció los resultados esperados. Por supuesto, esto no es suficiente para concluir que este recubrimiento no es útil para aplicarlo en elementos mecánicos sometidos a desgaste por fatiga por contacto de rodadura (levas, engranes, rodamientos, etc). CONCLUSIONES El recubrimiento superficial de TiN, no presento un desempeño satisfactorio al someterse al fenómeno de desgaste por FCR. La formación de grietas en la superficie de desgaste no se manifestó de igual manera en todos los casos, esto se debió principalmente a la duración de cada uno de los ensayos. Es importante seguir realizando ensayos en este tipo de recubrimiento, variando alguna o todas las condiciones de operación, principalmente en la carga aplicada, velocidad y espesor de recubrimiento. El material base utilizado (AISI 4320), puede presentar algunas aplicaciones en la fabricación de elementos que trabajan en contacto por rodadura, empleando los tratamientos térmicos adecuados. De acuerdo a algunos trabajos realizados sobre FCR, por el grupo de tribologia de la SEPI-ESIME, se han tenido mejores resultados con otro tipo de recubrimientos, específicamente bajo las condiciones de operación utilizadas en este estudio.
REFERENCIAS 1 P.J. Blau, Rolling Contact Wear, ASM Handbook 18, Friction, Lubrication and Wear Technology, pp.257-262, 1988. 2 R.C. Dommarco, Desarrollo de un prototipo para evaluar la resistencia a la Fatiga de Contacto por Rodadura, Jornadas SAM- IV Coloquio Latinoamericano de Fractura y Fatiga, Agosto de 2000. 3 J.E. Fernández, Rolling contact fatigue in lubricated contacts, Tribology International, pp. 35-40, 2003. 4 F.W. Smith, Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de los Materiales, Edit. MC Graw Hill, México, 1993. 5 R.D. Askeland, La Ciencia e Ingeniería de los Materiales, Grupo editorial Iberoamericana, México, 1987. 6 M.A. Herrera, Desarrollo de un Prototipo Tribológico Funcional para Evaluar el Desgaste por Fatiga por Contacto de Rodadura,Tesis de Maestría, ESIME-IPN, México, 2003. 7 D. Glover, A ball-rod rolling contact fatigue tester, ASTM STP-771, J.J.C.Hoo, Ed., pp.107-124. 8 E. Vera, M. Vite, Comparative Study of Failure by Rolling Contact Fatigue (FCR) of AISI 4140, Base, Nitriding and Hard Chromium, 15 th Steelmaking Conference, pp. 735-742, San Nicolas, Argentina, 2005. 9 G.W. Stachowiak, Engineering Tribology, second edition, edit. Butterworth Heinemann, USA, 2001.