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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE MATERIALES

LABORATORIO N° 01: ENSAYO DE DESGASTE ABRASIVO DE MATERIALES CERÁMICOS DOCENTE: Ing. Hebert Vizconde Poémape CURSO: INTEGRIDAD ESTRUCTURAL, DURABILIDAD Y VIDA EN SERVICIO DE LOS MATERIALES INTEGRANTES: -OBESO MENDOZA, Betsy -ROJAS RAMIREZ, Karina - RUIZ CHARCAPE, Nadia - SANCHEZ SEGURA, Ricardo

2019 TRUJILLO-PERÚ

I.

TITULO: ENSAYO DE DESGASTE ABRASIVO DE MATERIALES CERÁMICOS

II.

RESUMEN

En éste primer laboratorio utilizamos una máquina de desgaste abrasivo hechiza que está basada en la norma ASTM-G65, en esta práctica se trabajó con dos materiales: 3 probetas de mármol y 2 probetas de porcelanato, con dimensiones de 3” x 1” x 0.5”. Las cuales se ensayaron en la máquina de desgaste abrasivo por un espacio de 20 y 30 minutos, obteniéndose como resultado que el mármol se desgasta más que el porcelanato.

I.

OBJETIVOS • Reconocimiento de la Maquina de desgaste por abrasión y sus partes. • Realizar el ensayo de desgaste por abrasión para probetas de porcelanato y mármol. • Determinar la cantidad de pérdida de masa de cada una de las probetas luego de ensayo de desgaste por abrasión. • Determinar el comportamiento de desgaste en las probetas con tiempos de 20 min y 30 min.

II.

MARCO TEORICO

2.1.DESGASTE En ciencia de materiales, el desgaste es la erosión de material sufrida por una superficie sólida por acción de otra superficie. Está relacionado con las interacciones entre superficies y más específicamente con la eliminación de material de una superficie como resultado de una acción mecánica. La necesidad de una acción mecánica, en forma de contacto debido a un movimiento relativo, es una distinción importante entre desgaste mecánico y cualquier otro proceso con similares resultados.

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El desgaste es propiciado en varias etapas o fases, tales como: etapa primaria (temprana), la velocidad de interacción entre ambos cuerpos o estructuras es alta o sufre cambios importantes, etapa secundaria (mediana) la velocidad de desgaste o de acción mecánica entre dos sistemas es totalmente constante, es decir, no está sujeta a cambios y su disposición es permanente, por último se encuentra la etapa terciaria (avanzado), donde el ejercicio de interacción entre ambos elementos posee un tiempo prolongado en uso, la velocidad es constante y llega a un punto donde el fallo o la ruptura de la relación se ejecuta de forma brusca. Tipos El estudio de los procesos de desgaste es parte de la ciencia de la tribología. La naturaleza compleja del desgaste ha retardado su estudio y lo ha encaminado hacia mecanismos o procesos específicos de desgaste. Algunos mecanismos (o procesos) específicos de desgaste son: -

Desgaste adhesivo

-

Desgaste abrasivo

-

Fatiga superficial

-

Desgaste por fricción

-

Desgaste erosivo

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Además de los anteriores, existen otros tipos de desgaste comúnmente encontrados en la literatura especializada como; Desgaste por impacto, por cavitación, difusivo y desgaste corrosivo. El desgaste puede ser definido como el daño superficial sufrido por los materiales después de determinadas condiciones de trabajo a los que son sometidos. Este fenómeno se manifiesta por lo general en las superficies de los materiales, llegando a afectar la subsuperficie. El resultado del desgaste, es la pérdida de material y la subsiguiente disminución de las dimensiones y por tanto la pérdida de tolerancias. Los mecanismos de daño en los materiales se deben principalmente a deformación plástica, formación y propagación de grietas, corrosión y/o desgaste. Desde que el desgaste comenzó a ser un tópico importante y que necesitaba estudiado y entendido, comenzaron a aparecer en los libros de diseño y en la mente de los diseñadores, ideas sencillas de cómo prevenirlo o combatirlo, entre esas ideas se tienen: 1. Mantener baja la presión de contacto 2. Mantener baja la velocidad de deslizamiento 3. Mantener lisas las superficies de rodamientos 4. Usar materiales duros 5. Asegurar bajos coeficientes de fricción 6. Usar lubricantes 2.2.TRIBOLOGÍA La tribología es la ciencia que estudia la fricción, el desgaste y la lubricación que tienen lugar durante el contacto entre superficies sólidas en movimiento. El término es usado universalmente desde finales del siglo XX. Para entender la tribología se requieren conocimientos de física, de química y de tecnología de materiales. Las tareas del especialista en tribología (tribólogo) son las de reducir la fricción y desgaste para INTEGRIDAD ESTRUCTURAL, DURABILIDAD Y VIDA EN SERVICIO DE LOS MATERIALES

conservar y reducir energía, lograr movimientos más rápidos y precisos, incrementar la productividad y reducir el mantenimiento. La Tribología está presente en prácticamente todos los aspectos de la maquinaría, motores y componentes de la industria en general. Los componentes tribológicos más comunes son: •

Rodamientos

•

Frenos y embragues

•

Anillos de pistones

•

Engranes y Levas

Las aplicaciones más comunes de los conocimientos tribológicos, aunque en la práctica no se nombren como tales, son: • Motores eléctricos y de combustión (componentes y funcionamiento) • Turbinas • Extrusión • Rolado • Fundición • Forja • Procesos de corte (herramientas y fluidos) • Elementos de almacenamiento magnético • Prótesis articulares (cuerpo humano)

La aplicación de los conocimientos de la Tribología en estas prácticas deriva en:

• Ahorro de materias primas • Aumento en la vida útil de las herramientas y la maquinaría INTEGRIDAD ESTRUCTURAL, DURABILIDAD Y VIDA EN SERVICIO DE LOS MATERIALES

• Ahorro de recursos naturales • Ahorro de energía • Protección al medio ambiente • Ahorro económico 2.3.Desgaste Abrasivo La abrasión es la forma más común de desgaste. Se encuentra en todos los sistemas. Es causada por cuerpos externos moviéndose sobre una superficie. En general son partículas minerales (arena, óxidos, etc.). Estas partículas son usualmente más duras que el metal sometido a desgaste abrasivo.

Cuando el material se desplaza sobre un metal, genera un deterioro. Si además, otro material ejerce presión y el desplazamiento es constante, la pieza sometida al deterioro se desgasta hasta quebrarse o romperse, provocando que el material que lleva en su interior se derrame. Este tipo de accidentes genera paros en la producción impactando negativamente los costos de la compañía. Es necesario analizar qué tipo de fenómeno de abrasión es el que está deteriorando la pieza. De esta manera es posible elegir el tratamiento o recubrimiento adecuado para combatir dicho fenómeno. Esta forma de desgaste, que se dice que representan más del 50% de los problemas de desgaste en la industria, se produce cuando las partículas duras tales como rocas o fragmentos de metal se deslizan bajo presión a través de una superficie. Esta acción tiende a cortar de la misma manera como corta una herramienta de corte, desplazando virutas alargadas o las astillas de metal. En dos cuerpos el desgaste abrasivo se produce cuando las partículas como el carbón o minerales metálicos son transportadas a través de una

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superficie. Un proceso de desgaste similar, en una escala mucho más fina, se encuentra en áreas tales como la impresión o textiles. Esta vez, la abrasión es por las pequeñas partículas de pigmento transportadas en el producto.

Fig.01 Desgaste abrasivo debido a las partículas duras. (CASTILLO RODRÍGUEZ, Unam Cuautitlán, 2007)

En tres cuerpos el desgaste abrasivo resulta en situaciones de alto estrés, donde las partículas son atrapadas entre las superficies cargadas en movimiento relativo. Las partículas van reduciendo su tamaño. Por lo general, sólo una pequeña proporción de las partículas causan desgaste, los productos de rodadura o deslizamiento producen poco desgaste, pero, a medida que aumenta el ángulo de ataque, las altas tasas de desgaste son experimentadas. Con el desgaste abrasivo, la carga en las partículas, su forma y dureza son muy importantes; como, junto con la dureza del componente, que determinará si se produce la penetración de superficie o trituración de las partículas (SMITH, 2000)

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Fig.02 Apariencia de una superficie sometida al desgaste abrasivo. (ibid, 2005) Los materiales con una alta dureza, buena tenacidad y alta resistencia al calor son más resistentes al desgaste por abrasión. Típicos materiales utilizados para aplicaciones de desgaste abrasivo incluyen templado y acero templado; carburado o aceros endurecidos en la superficie; aleaciones de cobalto tales como; materiales compuestos, incluidos los cermets de carburo de tungsteno; hierros colados blancos; y superficies duras producidas por soldadura. La mayoría del material de cerámica también resiste el desgaste efectivamente debido a su alta dureza; sin embargo, su fragilidad a veces puede limitar su utilidad en condiciones de desgaste abrasivo. 2.3.1.1.Agentes Externos El desgaste se mide en su método más común por la pérdida de peso que experimenta el material después del ensayo. Así como por los métodos comparativos puede determinarse la influencia de la composición química y la estructura en la resistencia al desgaste abrasivo y dependiendo del tipo de máquina de ensayo, pueden usarse las mezclas de arena y sílice sola o de polvo de esmeril. Estos agentes externos deben ser controlados en una serie de parámetros como son:

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-

Grado de compacticidad en las mezclas

-

Humedad

-

Tamaño de las partículas abrasivas.

-

Forma, entre otras.

El desgaste de un material puede calcularse además por métodos planimétricos en los que interesa no solo la comparación entre un material y otro, sino también la influencia de la forma y el diseño del elemento a ensayar. Este método planimétrico consiste en proyectar en una pantalla a escala ampliada el perfil del elemento a estudiar, y se determina así la perdida de material sufrida. 2.3.1.2.Mecanismos básicos del desgaste abrasivo

Existen dos mecanismos básicos del desgaste abrasivo: -

Mecanismo de microcorte

Si la penetración de la aspereza o partícula abrasiva sobre pasa cierto valor crítico; si la dureza de las partículas abrasivas es superior a la del material y si se sobrepasa el límite de rotura del material se produce el microcorte de las capas superficiales; generando partículas de desgaste. h/R > 0.1  c >  rot Ha > Hm ....(1)

-

Mecanismo de deformación plástica (macrodeformación)

Si las tensiones de contacto son inferiores al límite de rotura; si el grado de penetración está por debajo del valor crítico se produce las deformaciones plásticas trayendo por consecuencia el rayado o raspado de las superficies en dirección arbitraria; no se genera partículas de desgaste. h/R  0.1  y <  c <  rot .....(2)

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2.3.2. Tipos de desgaste abrasivo En dependencia del elemento abrasivo; su grado de libertad; el tipo de unión de rozamiento; la relación de dureza abrasivo-material; etc se presentan diferentes tipos de desgaste abrasivo. Desgaste contacto – abrasivo -

Por microcorte.

-

Por deformaciones plásticas.

Desgaste contacto - abrasivo con deformaciones plásticas Se produce cuando h/R no cumple la relación establecida en la expresión. Se caracteriza por el rayado de la superficie, sin desprendimiento de partículas de desgaste.

En este caso: Ih = 10-9 - 10-4; e* = 105 - 10² N-m/mm3; t n= 103 - 10-2 MPa Desgaste contaminante – abrasivo -

En masa abrasiva Mecánico – química Mecánica.

-

De tres cuerpos.

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DESGASTE ABRASIVO DE TRES CUERPOS Es propio del desgaste de uniones de rozamiento en las cuales ha penetrado partículas abrasivas procedentes del medio o cuando las partículas de desgaste no tienen posibilidad de salir de la unión. Se conoce también como abrasión de alta presión. Se ha establecido que la resistencia al desgaste abrasivo de tres cuerpos es: WD = M _ (H1 + H2) (5) Si se varía la dureza de uno de los materiales (H1 ó H2) de la unión de rozamiento varia la WD; los mayores desgastes se producen cuando H1 ˜ H2. La concentración de partículas en la unión de rozamiento influye en la magnitud del desgaste; así se tiene: k = 7× 10-3 - 5*10-4 = alta concentración de partículas. k = 5× 10-4 - 10-5 = baja concentración de partículas. 2.4.NORMA ASTM G65 Esta norma regula los procedimientos de estandarización para determinar la resistencia de los materiales al desgaste abrasivo, su clasificación está básicamente determinada por unos procedimientos que determinan la capacidad de resistencia que pueda tener el material. La prueba se lleva cabo con una arena estandarizada y una granulometría específica, dependiendo del procedimiento a utilizar en la prueba, debe aplicarse sobre la probeta una carga especifica que hace que la probeta tenga contacto con una rueda de caucho, así mismo, un flujo de arena seca cae exactamente en el contacto de la rueda con la probeta y así simular el desgaste abrasivo. La norma utilizada en el estudio de este proyecto es la norma ASTM con referencia G65-04.

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III.

MATERIALES, INSTRUMENTOS Y EQUIPOS ❖ MATERIALES • 03 placas de Porcelanato (3” x 1” x 0.5”) • 03 placas de Mármol (3” x 1” x 0.5”) • Arena • Malla para tamizar #30 ❖ INSTRUMENTOS • Balanza Analítica (precisión ± 0.0001 g) ❖ EQUIPOS • Maquina de Abrasión (Marca Hechizo)

IV.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL •

Se cortaron probetas de Porcelanato y mármol con las medidas de acuerdo a la según la norma ASTM-G65 para desgaste abrasivo.

•

Se hizo granulometría de la arena de acuerdo a la norma con mallas #30.

•

Una vez cortadas las probetas a la medida que se requiere según norma se procedió al pesaje en la balanza analítica.

•

Antes de comenzar el ensayo se verificó que los componentes de la máquina estén en buenas condiciones y funcionando perfectamente, para que no haya dificultades al momento de realizar el ensayo.

•

Se colocaron las piezas de Mármol y Porcelanato, una por una, en el porta probetas, luego se ingresó la arena seleccionada en el dispensador de arena y se bloqueó el paso de la arena hasta que comience el ensayo. Una vez comenzado el ensayo se dejó que la arena haga contacto con las piezas en la rueda de caucho por un tiempo determinado de 20 y 30 minutos según la norma.

•

Finalizado los tiempos determinados para los ensayos se procedió a retirar la probeta, dejarlas enfriar y finalmente pesarlas para calcular por método gravimétrico la pérdida de masa final.

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V.

RESULTADOS TABLA N°01: Datos obtenidos después de realizar la prueba al mármol y porcelanato.

Tiempo (min)

20

Masa Inicial

Masa

(g)

Final (g)

M1

39.4079

39.3889

M2

38.0697

37.8391

0.2306

0.6057

0.6918

M3

38.9352

38.7448

0.1904

0.4890

0.5712

P1

34.2458

33.4558

0.7900

2.3069

Código

ΔW 0.0190

VI.

43.9939

43.0498

Desgaste

de masa

(g/hora)

0.0482

0.057 0.5474

20 P2

% de pérdida

0.9441

2.1460

2.2264

0.6315

2.37 2.8323

DISCUSION En la TABLA N°01, se muestra la variación de la masa en gramos en relación al tiempo al que fue expuesta la probeta de mármol y porcelanato, como se observa la variación es mucho mayor en porcelanato ya que hay mayor pérdida de masa a diferencia de la probeta de mármol. Es decir, el porcelanato se desgasta más que el mármol. Debido a que la arena genera un desgaste abrasivo en la superficie de las probetas expuestas. Esto se debe a que el mármol presenta mayor dureza que el porcelanato y menor densidad y su pérdida de volumen es menor.

VII.

CONCLUSIONES • Se realizó un breve y detallado reconocimiento de la Maquina de desgaste por abrasión y sus partes. • Se realizó el ensayo de desgaste por abrasión para probetas de porcelanato y mármol, dando como resultado que el mármol presenta mayor desgaste por abrasión. • Se determinó que ambos materiales se desgastan por abrasión, teniendo mayor pérdida de masa y menor tiempo en el equipo de desgaste al mármol. • Se determinó a diferentes tiempos de desgaste presentando al porcelanato con mayor resistencia a la abrasión y al estar expuesto mayor tiempo en el equipo a diferencia del mármol.

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2.60115

VIII.

BIBLIOGRAFIA

1. Bowden, Tabor: Friction and Lubrication of Solids (Oxford:Clarendon Press 1950) 2. Kleis I. y Kulu P. (2008). Solid Particle Erosion. Springer-Verlag, London, 206 pp. 3. Zum Gahr K.-H. (1987). Microstructure and wear of materials, Elsevier, Amsterdam, 560 S. 4. Aceros, C. G. (2016). Aceros SAC. Recuperado el 2019, de https://www.cga.com.co/images/document/ficha-maxdur-b-60.pdf

5. CASTILLO RODRÍGUEZ, F. (2007). Unam Cuautitlán. Recuperado el Abril 21, 2019, de UnamCuautitlán: https://www.profefelipe.mex.tl/imagesnew/4/6/9/5/1/TRIBOLOGIA.pdf 6. CASTILLO RODRÍGUEZ, F. (2016, Marzo 22). Profefelipe. Recuperado el Abril 21, 2019,deUnamCuautitlán: https://www.profefelipe.mex.tl/imagenesnew/4/6/9/5/1/TRIBOLOGIA.pdf 7. ibid. (2005). Mechanical Engineers. 8. MESA GRAJALES, D. (2005, Agosto 12). Universidad Tecnologica de Pereira. Recuperado el Abril 21, 2019, de UTP docs: www.utp.edu.co/~dhmesa/pdfs/desgaste.pdf 9. MESA GRAJALES, D. (2005, Agosto 12). UTP. Recuperado el Abril 21, 2019, de Universidad Tecnologica de Pereira: www.utp.edu.co/~dhmesa/pdfs/desgaste.pdf 10. Martínez, P.F. (1996). La tribología, ciencia y técnica para el mantenimiento, Limusa 11. Rabinowicz, E. (1995). Friction and Wear of Materials. Second edition. John Wiley & Sons. 12. https://institutoasteco.com/asteco/desgaste-por-abrasion/ 13. Wheel, S. T. (s.f.). ASTM. Recuperado el abril 21, 2019, de ASTM International.: https://www.astm.org/Standards/G65

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ANEXOS

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1. Materiales e instrumentos/equipos: 1.1. Instrumentos:

Fig.01 Balanza analítica 1.2. Equipos:

Fig.02 Maquina en el cual se realizó el ensayo de desgaste. 1.3. Materiales:

Fig.03 probetas de porcelanato.

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Fig.04 Probetas de mármol.

Fig.05 Arena fina.

Fig.06 Malla #30.

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2. Procedimiento:

Fig.07 pesado de probetas antes y después de aplicarse el ensayo.

Fig.08 colocación de las probetas en la máquina de desgaste.

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