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• Fabián Durán

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Universidad de Santiago de Chile Facultad de Ingeniería Departamento de Metalurgia

Experimental Nº1 “Desgaste abrasivo de materiales”

Nombre

Maximiliano

Nicole

Cristian

Alvarez

Miranda

Penroz

-

D

D

D

Nicole Miranda

D

-

D

D

Cristian Penroz

D

D

-

D

Maximiliano

Autoevaluación

Alvarez

Profesor:

Santiago Riveros

Ayudante:

Alexis Romo

Asignatura:

Aceros

Alumnos:

Maximiliano Alvarez Nicole Miranda Cristian Penroz

Fecha de entrega:

9 de Mayo de 2016

RESUMEN

En el presente informe se realizó con el fin de estudiar y evaluar la resistencia al desgaste abrasivo de tres probetas, donde dos de ellas corresponden a aceros y la otra probeta es una fundición blanca aleada, obtenida en la soldadura Hardfacing, mediante un ensayo de desgaste conforme a la norma ASTM G65. La dureza del material da una aproximación de la resistencia al desgaste, pero sin embargo existen otros factores de mucha importancia que tienen especial influencia en el desgaste que pueda presentar el material en cuestión, como la microestructura presente, naturaleza y distribución de los carburos, matriz y la composición química. Se concluyó con los resultados obtenidos en este experimental, que la fundición blanca (ErgotemHardfacing) presento mejor respuesta al desgaste, es decir, fue la probeta que menor volumen (mm3) perdió tras realizar el ensaye de desgaste. Lo mencionado anteriormente se debe a que la fundición tiene mayor dureza que los aceros M3 y M5. Su mayor dureza se debe tanto a su microestructura, la cual se compone de martensita y ledeburita, como también al gran porcentaje de cromo que contiene, el cual es un gran formador de carburos, estos carburos de tamaños pequeños se encentran dispersos en la matriz, aumentando así la dureza junto a la martensita y ledeburita. De esta manera la fundición blanca presenta una alta resistencia al desgaste.

INDICE

1. OBJETIVOS .................................................................................................................. 4 1.1. Objetivos Generales ................................................................................................ 4 2. INTRODUCCIÓN TEÓRICA ..................................................................................... 5 2.1. Desgaste abrasivo ................................................................................................... 5 Factores que influyen en el desgaste .................................................................... 5 2.2. Norma G65............................................................................................................. 6 2.3. Máquina del Ensayo de desgaste ............................................................................. 8 2.4 Procedimiento Ensayo de desgaste según Norma ASTM G65 .................................. 9 3. DESARROLLO DE LA EXPERIENCIA ................................................................... 10 3.1. Materiales Utilizados: ........................................................................................... 10 3.2. Procedimiento Experimental ................................................................................. 10 4. RESULTADOS ........................................................................................................... 12 4.1. Tablas ................................................................................................................... 12 4.2. Gráficos ................................................................................................................ 13 4.3. Microestructuras .................................................................................................. 15 4.4. Porcentaje de Carburos ......................................................................................... 18 4.4.1. Formula Maratray ...................................................................................... 18 5. DISCUSIÓN ............................................................................................................... 19 6. CONCLUSIÓN .......................................................................................................... 22 7. BIBLIOGRAFIA ......................................................................................................... 23

1. OBJETIVOS

1.1. Objetivos Generales 

Medir la resistencia al desgaste en forma comparativa.



Analizar la influencia de la microestructura de suministro.



Influencia de la variables metalúrgicas (fases, carburos (tipo, volumen)) y dureza en la resistencia al desgaste.



Aplicaciones del ensayo en otros tipos de aceros.



Parámetros a considerar antes y durante el ensayo.



Comparación paralela entre los materiales estudiados (acero antiabrasivo v/s fundición blanca).



Evaluación del porcentaje de carburos con el programa Image J.



Comparación porcentaje de carburo Image J v/s Ec. de Maratray.

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2. INTRODUCCIÓN TEÓRICA

2.1. Desgaste abrasivo El desgaste abrasivo involucra el choque de superficies a través de interfase entre sus superficies,este es causado por materiales no metálicos como pueden ser alumina, sílice, etc. los cuales hacen perder materia al metal, esto conlleva al material metálico a un déficit en sus propiedades tanto mecánico como de corrosión, es por esto lo importancia de poder predecir fenómenos de abrasión en el tiempo. El desgaste abrasivo es directamente proporcional a los factores como la carga y el número de vueltas, e inversamente proporcional a la dureza del material.

Factores que influyen en el desgaste  Tamaño de la partícula  Peso de la partícula  Forma de la partícula  Dureza de las partículas  Textura de la partícula  Angulo de ataque  Condiciones de medio de trabajo

Afectan en el desgaste la microestructura, la composición química y los carburos presentes.En ciertos casos la variable velocidad también afecta en el desgaste producto que los tiempos son los que controlan parte de esta variable.

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El material que presenta mayor resistencia a la abrasión tendrá menor perdida de volumen. Si se conoce la densidad del material se puede determinar la masa de perdida. Perdida de volumen (mm3) =

* 1000

2.2. Norma G65 Método de prueba para medir la abrasión con equipos de ruedas de arena seca/caucho. Este método de prueba, aprobado originalmente en 1980 y que está bajo la jurisdicción del Sub comité 602.30 sobre desgaste abrasivo, se refiere a la abrasión por arena, una de las mayores preocupaciones en la industria de materiales y el procesamiento de materiales a granel. Este método de prueba abarca cinco procedimientos recomendados que son apropiadas para grados específicos de resistencia al desgaste o espesor del material de prueba.

 Procedimiento A: Esta es una prueba que particularmente se enfoca a la clasificación de los materiales con resistencia a la abrasión media a extrema.

 Procedimiento B: es una pequeña variación de Procedimiento A. Puede ser utilizado para los materiales muy resistentes a la abrasión, pero es particularmente útil en los materiales bajos y medios resistentes a la abrasión. Este procedimiento debe utilizarse cuando el volumen de la pérdida tiene valores superiores a 100 mm3.

 Procedimiento C: Es un procedimiento para el uso en capas finas.

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 Procedimiento D: Esta es una variación de carga más ligera de un procedimiento que es particularmente útil en la clasificación de los materiales de baja resistencia a la abrasión. También se utiliza en materiales de clasificación de un tipo genérico o materiales específicos de lo que sería muy cerca de los tipos de volumen de la pérdida desarrollado por procedimiento A.

 Procedimiento E: La variación de Procedimiento B que es útil en la clasificación de los materiales con medio o baja resistencia a la abrasión.

Tabla 2.1. Condiciones estándar para el ensayo de abrasión ASTM G65. Fuerza sobre la probeta

Revoluciones del

Abrasión lineal

(N)

disco (rpm)

(m)

A

130

6000

4309

B

130

2000

1436

C

130

100

71,8

D

45

6000

4309

E

130

1000

718

Procedimiento

El tiempo de la prueba depende del procedimiento, en el caso de los procedimientos A y D el tiempo es 30 minutos, el procedimiento B el tiempo es de 10 minutos, 5 minutos para el procedimiento E y finalmente para el procedimiento C es de 30 segundos, pero estos tiempos dependerá de la velocidad real de la rueda, por lo que el parámetro de control real son las revoluciones de la rueda y no el tiempo. 7

2.3. Máquina del Ensayo de desgaste

Figura 2.1. Esquema aparato de abrasión

Materiales que son importante: el recipiente donde se ubica el material abrasivo (tolva), disco con un revestimiento de caucho normado y un brazo que tenga una distancia adecuada para otorgar la fuerza necesaria al entregar presión del desgaste. La rueda está compuesta por un disco de acero y un caucho, la dureza optima de la goma A60 (rango aceptable 58-62Rc), para saber la masa de la perdida de la probeta. Para saber si está midiendo bien es necesario que cumpla los patrones establecidos por la norma. El abrasivo utilizado será una arena de cuarzo de grano redondo tipificada por AFS 50/70. Conviene que sean granos redondos y no aristas para que el desgaste sea uniforme. 8

El ensayo se puede realizar en húmedo, lo cual creara una pulpa; por lo cual al estar en un ambiente corrosivo y presencia de poco elementos anticorrosivos producirá que el agua afecte en el ensayo.

2.4 Procedimiento Ensayo de desgaste según Norma ASTM G65 La prueba de desgaste consiste en instalar una probeta (espécimen) estandarizada de (25x25x70 mm) con una dureza de 53 Rc (575 HV), en la cual se hace escurrir arena entre el la goma que recubre al disco y la probeta, además el disco gira a una velocidad constante con lo cual la arena genera un desgaste abrasivo de la probeta, el procedimiento es el siguiente:

 Limpiar la probeta a probar con un solvente (agua y alcohol) y secar.  Masar la probeta en una balanza con resolución de 0.001 (gr) y conservar el valor.  Instalar y asegurar la probeta en el brazo de la máquina para que no se mueva durante la prueba.  Fijar el flujo de arena.  Hacer girar el disco durante el tiempo de prueba  Sacar la probeta, limpiarla con un solvente y medir masa nuevamente.  Calcular la diferencia en masa que se obtuvo.

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3. DESARROLLO DE LA EXPERIENCIA

3.1. Materiales Utilizados:  Acero resistente a la abrasión M3  Acero resistente a la abrasión M5  Ergotem Hardfacing (fundición blanca)  Máquina de ensayo de desgaste, según norma ASTM G65  Cuarzo (arena)  Lijas  Maquina pulidora  Microscopio óptico  Balanza digital

3.2. Procedimiento Experimental Los ensayos realizados en la empresa Küpfer Hnos., se llevaron a cabo con la finalidad de medir el volumen perdido por cada probeta mediante el ensayo de abrasión. Para realizar los ensayos de desgaste además de necesitar la máquina según especificaciones de la norma ASTM G65, también se requirió de un abrasivo, donde se utilizó cuarzo que tenía una granulometría que se encontraba en el rango de 50 a 70 AFS, con lo que cumple con la especificación normada. Tanto para el M5, M3 (aceros resistentes a la abrasión) y Ergotem Hardfacing (fundición) se empleó el procedimiento B, el cual tiene un tiempo de duración de 10 minutos. Para Ergotem Hardfacing se debería haber realizarlo en 30 minutos, es decir, el procedimiento A, pero como el desgaste es lineal en el tiempo se realizó en 10 minutos. Cuando se obtenga la masa perdida esta se deberá multiplicar por 3, de 10

esta manera obtendremos la masa perdida si se hubiera realizado el procedimiento A (30 minutos).Se realizó el ensayo de desgaste para estas 3 probetas tal como se detalla en la base teórica de este informe. Una vez terminado el ensayo se calculó la pérdida de masa tanto en gramos como en mm3. Posteriormente las probetas en el laboratorio de Metalurgia fueron lijadas, pulidas y atacadas, los aceros con Nital y la fundición blanca con Vilella, para posteriormente obtener tanto sus micrografías como sus durezas. También se procedió a llevar las probetas a SimetUSACH para que se le efectuaran los respectivos análisis químicos (chispazo). Los resultados del análisis químico realizado por Simet eran erróneos, por lo que se enviaron las probetas a la empresa Proacer, para que se le realizara nuevamente análisis químico.

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4. RESULTADOS

4.1. Tablas Tabla 4.1. Masas. Masa inicial Masa final Masa perdida (g) (g) (g)

Probetas

Volumen perdido (mm3)

M3

157,092

156,564

0,528

67,261

M5

158,350

157,746

0,604

76,943

Ergotem Hardfacing

223,143

223,135

0,008*3

3,057

Tabla 4.2. Durezas obtenidas. Probetas

Durezas

Promedio

M3

47,4 Rc

46,6 Rc

46,4 Rc

46,8 Rc

M5

48 Rc

48 Rc

48,5 Rc

48,17Rc

Ergotem Hardfacing

55Rc

55Rc

55Rc

55Rc

Tabla 4.3. Análisis químico. Aleación

%C

%Si

%Mn

%Fe

%B

%Cr

%Ni

%Mo

M3

0,21

0,24

0,65

97,94

0,0006

0,58

0,12

0,032

M5

0,19

0,63

0,86

96,97

0,0009

0,82

0,08

0,142

Ergotem Hardfacing

>5,16

0,00

2,73

53,4

0,032

37,19

0,17

0,037

12

4.2. Gráficos

Dureza (Rc) 56

Dureza (Rc)

54 52

50 48 46 44 42 M3

M5

Ergotem Hardface

Probetas

Figura 4.1. Gráfico Dureza.

Masas (g) 250

Masa (g)

200 150 100

Masa inicial (g) Masa final (g)

50

0 M3

M5

Ergotem Hardface

Probetas

Figura 4.2. Gráfico Masas.

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Masa perdida (g) 0,7

Masa (g)

0,6 0,5 0,4

0,3 0,2 0,1 0 M3

M5

Ergotem Hardface

Probetas

Figura 4.3. Gráfico Masas perdidas.

Volumen (mm3)

Volumen perdido (mm3) 80 70 60 50 40 30 20 10 0 M3

M5

Ergotem Hardface

Probetas

Figura 4.4. Gráfico Volúmenes perdidos.

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4.3. Microestructuras

M5

M3

Ergotem Hardfacing

Figura 4.3.1.M3 es un acero resistente a la abrasión, sin ataque, aumento x100. M5 acero resistente a la abrasión, sin ataque, aumento x100 en ambas aleaciones se logran ver pequeñas inclusiones no metalices del tipo D fino (óxidos globulares) de cantidad 1 y 2 según plantilla ASTM E15. Ergotem Hardfacing una fundición blanca, sin ataque, aumento x100, se logran ver pequeñas inclusiones en la matriz tipo D fino (2), y carburos los cuales propagan grietas, producidas en la solidificación. 15

M3

M5

Ergotem Hardfacing

Figura 4.3.2.M3 es un acero resistente a la abrasión, el cual fue atacado con nital, presenta un aumento x100. M5 también es un acero resistente a la abrasión, el cual fue atacado con nital, presenta un aumento x100. Ambas muestras M3 y M5 muestran una microestructura similar de martensita revenida. Ergotem Hardfacing atacada con vilella, aumento x100, donde se nota una estructura de fundición blanca, martensita y ledeburita con carburos de Cromo.

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M3

M5

Ergotem Hardfacing

Figura 4.3.3.M3, atacado con nital, aumento x500 se puede notar la estructura martensitica revenida de mejor forma debido al mayor aumento de la imagen. M5, atacado con nital, aumento x500 se nota estructura martensitica revenida. Ergotem Hardfacing, la cual fue atacada con vilella, presenta un aumento x500 y se puede notar la estructura ledeburita.

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4.4. Porcentaje de Carburos

4.4.1. Formula Maratray % de Contenido de Carburos (CC) = 12.33 % C + 0.55 % Cr – 15.2

Tabla 4.4. Porcentaje de Carburos según formula Maratray. %C

%Cr

%Carburos

M3

0,21

0,58

-12,2917

M5

0,19

0,82

-12,4063

Ergotem Hardfacing

5,16

37,19

68,8773

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5. DISCUSIÓN Entre los dos aceros, la pérdida de masa y de volumen se acerca en valor, pero en ambos tipos de datos, obviamente, se nota que el acero de la muestra 3 tiene mayor resistencia al desgaste. Podemos verlo en la Tabla 4.1.donde las pérdidas de M3 y M5 son 67,261mm3 y 76,943mm3 respectivamente. Con respecto a la microestructura del acero, son bastante parecidas en todos los aumentos. Podemos decir que es una estructura martensitica primeramente, pero que se puede deducir también que se le ha aplicado un tratamiento térmico para obtener una martensita revenida o bien formación de bainita. Vale decir que ambas estructuras son bastante parecidas, pero parece más asertivo hablar de martensita revenida. Si se da énfasis en la cantidad de carbono de estas aleaciones, la martensita de la que se habla su dureza mencionada en ambos casos es 46,8 Rc (M3) y 48,17 Rc (M5), esta pequeña diferencia es correcta ya que las cantidades de carbono son bastante parecidas (0,21%C en M3 y 0,19%C en M5). Vale decir que el contenido de carbono en los aceros de este tipo de microestructura, es el principal elemento a relacionar con la dureza. Al ser un acero con elementos aleantes, su templabilidad es bastante por lo que la microestructura de martensita es posible.

La norma ASTM tiene bastantes especificaciones que no se cumplieron del todo, como: 

la humedad permitida es del 4%, y el día del ensayo el ambiente se notaba bastante humedad pero esta no fue medida.



La arena utilizada no sabemos del todo si fue pasada por los tamices requeridos.

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

El ensayo de abrasión del acero Ergotem Hardfacing, no fue el tiempo requerido, ya que este debió hacerse con el método A de la norma, el cual tiene un tiempo de duración de 30 minutos, además, la arena de cuarzo no era la indicada para este método. Se supuso un desgaste lineal de la muestra por lo que solo se hizo en un tiempo de 10 minutos, y el resultado de masa y volumen perdido se multiplicó por 3.

Con respecto a la fundición blanca (Ergotem Hardfacing) su dureza es de 55 Rc(en promedio) o en su escala Brinell 560 HB, de los tres materiales fue quien obtuvo la menor pérdida de volumen, con 3,057 mm3, en la micrografía podemos observar que la matriz es martensitica, además tenemos la presencia de ledeburita, esta no son provenientes de un tratamiento térmico como en el caso de los aceros M3 y M5, ya que este material es fabricado mediante la soldadura flux core sobre una plancha de A36,la cual forma la aleación directamente sobre el acero, también tenemos a la vista grandes grietas, estas son características de este metal, son producidas en la fabricación debido a la alta dureza del material. La fórmula de maratray nos indica que la fundición blanca posee un 68,8773% de carburos, estos son carburos de cromo provenientes del 37,19% de Cr que posee este material, el cromo es un gran formador de carburos y en conjunto a la martensita y ledeburita le dan mayor resistencia al desgaste y mayor dureza en comparación a los aceros. Respecto a los valores de volúmenes perdidos, si hacemos una comparación entre las dos aleaciones comparadas con el Hardfacing, con un valor promedio entre los aceros de 72,1 mm3 y el Hardfacing de 3,057 mm3, nos da una relación de 1:23, sin embargo, tomando los valores de dureza en los 3 materiales y realizando el mismo razonamiento, tenemos un promedio de dureza de los aceros de 47,5 HRC y el del Hardfacing resulto 55 HRC lo que da una razón de 1:1.2 aproximadamente. Lo que nos da cuenta que la dureza de la aleación Hardfacing, no es un parámetro que 20

resulte muy influyente a la hora de decir que es más resistente al desgaste. En otras palabras, no porque tenga alta dureza la aleación será más resistente al desgaste, de hecho estructuras como la martensita y la bainita, pueden alcanzar valores bastante parecidos al del Hardfacing, pero no presentan una alta capacidad de resistencia al desgaste como lo hace la aleación. Entonces el parámetro para poder afirmar aquella enorme diferencia en perdida de volumen, y por consecuencia mayor resistencia al desgaste, es la cantidad de carburos, ya que la aleación obtenida en el proceso de soldadura en el Hardfacing, y según la ecuación de Maratray, la cantidad de carburos en esta última muestra es muchísimo mayor, incluso los aceros no tienen nada de carburos. Al ser carburos muy duros y estar finamente distribuidos, proveen a la aleación la propiedad, de resistencia a desgaste. Las aleaciones Hardfacing se comportan de esta manera, la resistencia al desgaste se la da los carburos finamente distribuidos en la matriz, que elevan la dureza pero no significativamente, porque a veces, en usos industriales como palas de minería, tener una dureza muy elevada podría fragilizar el material.

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6. CONCLUSIÓN El mejor resultado del ensayo de anti abrasión es el Ergotem Hardfacing, esto por los resultados de dureza, microestructura, y cantidad de carburos (mostrados en los resultados del laboratorio), estos últimos, los cuales se encuentran bastante dispersos en la matriz, ayudando a aumentar la resistencia al desgaste, brindado por estos carburos pequeños. Incluso con el no cumplimiento al pie de la letra de la norma como se dio cuenta en la discusión. De las otras dos muestras, M3 y M5, podemos concluir por el análisis químico hecho por Proacer, que se tratan ambos de aceros antiabrasivos, con diferencia en la composición de por ejemplo los elementos Si, Mn, Cr, Ni, Mo, siendo los más notorios, pero que sin embargo no es muy notorio en la microestructura por ejemplo, se puede notar la misma estructura de martensita revenida pero una leve diferencia en el tono de esta, siendo la M5 más obscura. Por lo que podemos clasificarlos como aceros anti abrasivos del rango >400 por la dureza Brinell (convertida desde RC) que es 444HB para M3, y 461HB para M5.

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7. BIBLIOGRAFIA

 Norma ASTM G 65.  Metal Handbook, Vol. 18. Wear, Friction, etc.  Laird, G., Gundlach, R. and Rohrig, K. (2000). Abrasion-resistant cast iron handbook. Des Plaines, Ill.: American Foundry Society.  Santiago Riveros. (2004). Aceros Antiabrasivos. Medición del Índice de Endurecimiento Meyer y Predicción del Endurecimiento Adicional en Uso Según Técnica de Tabor, de CONGRESO CONAMET/SAM 2004 Sitio web: http://www.materiales-sam.org.ar/sitio/biblioteca/laserena/182.pdf

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