COMPARACION DEL DESGASTE POR ABRASION Y EL DESGASTE …
57
0 COMPARACION DEL DESGASTE POR ABRASION Y EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO DE LOS ACEROS AISI/SAE 1020, 1045 Y 4140, SEGÚN LAS NORMAS ASTM G65 Y G99 GUSTAVO JIMENEZ TORRADO Tesis para optar el titulo de Magister en Ingeniería Mecánica Asesor: Dr Ing WILSON HORMAZA UNIV ERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA
Transcript of COMPARACION DEL DESGASTE POR ABRASION Y EL DESGASTE …
0
COMPARACION DEL DESGASTE POR ABRASION Y EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO DE LOS ACEROS AISI/SAE 1020, 1045 Y 4140, SEGÚN LAS
NORMAS ASTM G65 Y G99
GUSTAVO JIMENEZ TORRADO
Tesis para optar el titulo de Magister en Ingeniería Mecánica
Asesor:
Dr Ing WILSON HORMAZA
UNIV ERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA
1
Bogotá, 2009.
TABLA DE CONTENIDO
TABLA DE CONTENIDO........................................................................................................ 1
INDICE DE TABLAS............................................................................................................... 3
INTRODUCCION.................................................................................................................... 4
1 OBJETIVOS .................................................................................................................... 5
1.1 OBJETIVO GENERAL ............................................................................................. 5
1.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS ................................................................................... 5
2 MARCO TEORICO.......................................................................................................... 6
2.1 SISTEMA TRIBOLOGICO ....................................................................................... 6
2.2 CLASIFICACIÓN DEL DESGASTE ........................................................................ 8
2.2.1 DESGASTE ABRASIVO................................................................................... 8
2.2.2 DESGASTE ADHESIVO .................................................................................. 9
2.3 FACTORES QUE INTERVIENEN EN EL DESGASTE ........................................ 10
2.3.1 CARGA NORMAL........................................................................................... 10
2.3.2 VELOCIDA D ................................................................................................... 10
2.3.3 TEMPERA TURA............................................................................................. 11
2.4 MODELO MATEMA TICO PA RA EL DESGASTE................................................. 11
2.5 MODELO PARA SIMULA R EL PROCESO DE DESGASTE ............................... 18
3 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL ........................................................................... 20
3.1 CARA CTERIZA CION DE LOS MATERIALES ...................................................... 20
3.1.1 COMPOSICIÓN QUÍMICA ............................................................................. 20
3.1.2 ENSAYOS DE MICRODUREZA .................................................................... 21
3.1.3 ESTUDIO METALOGRAFICO ....................................................................... 22
3.2 ENSAYOS DE DESGASTE ................................................................................... 24
3.2.1 ENSAYO DE DESGASTE POR ABRASION ................................................. 24
3.2.2 ENSAYO DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO ...................................... 25
3.2.3 PREPA RA CION DE LAS MUESTRAS .......................................................... 26
3.3 DISEÑO EXPERIMENTAL .................................................................................... 28
2
3.3.1 SELECCIÓN DE LOS FACTORES Y NIV ELES............................................ 29
4 RESULTA DOS Y DISCUSION ..................................................................................... 32
4.1 COMPORTA MIENTO DEL DESGASTE ............................................................... 32
4.1.1 EFECTO DE LA CA RGA, LA VELOCIDAD Y LA DISTANCIA DESLIZADA.32
4.1.2 COMPARA CIÓN CON EL MODELO MATEMÁ TICO DE ARCHARD .......... 34
4.2 COMPORTA MIENTO DE LA SUPERFICIE DESGASTADA................................ 38
5 CONCLUSIONES.......................................................................................................... 44
6 SUGERENCIAS ............................................................................................................ 45
7 REFERENCIA BIBLIOGRAFICA .................................................................................. 46
8 ANEXO .......................................................................................................................... 48
8.2 PLA NOS................................................................................................................. 56
3
INDICE DE TABLAS
Tabla 1. Resumen de las relaciones teóricas entre el área real de contacto y la carga normal. .................................................................................................................................. 14 Tabla 2. Relaciones teóricas entre el desgaste y la carga. ................................................ 17 Tabla 3. Composición química. Porcentaje en peso. ........................................................ 21 Tabla 4. Durezas Vickers ..................................................................................................... 21 Tabla 6. Parámetros norma G65 .......................................................................................... 24 Tabla 7. Parámetro morfológico de la arena ........................................................................ 25 Tabla 9. Rugosidad probetas para desgaste abrasivo ....................................................... 28 Tabla 10. Rugosidad probetas (pin) para desgaste adhesivo ............................................ 28 Tabla 11. Diseño experimental............................................................................................. 30 Tabla 12. Diseño experimental............................................................................................. 31 Tabla 13. Desgaste según norma G99 ................................................................................ 35 Tabla 14. Composición química en la superficie del pin. Porcentaje en peso. ................... 42
4
INTRODUCCION
El desgaste es el daño de la superficie del sólido como un resultado del movimiento
relativo entre superficies o sustancias. El daño usualmente es el resultado de la pérdida
progresiva del material. La medida científ ica usada para el desgaste es la perdida de
volumen o masa. En ingenier ía el desgaste es asociado con cambios de dimensión o de
apariencia que eventualmente afecta en su función o desarrollo y no como una pérdida de
volumen (Bayer, Engineer ing design for w ear, 2004). Y es de gran importancia cuando
se describe el fenómeno del desgaste, el distinguir claramente entre la naturaleza del
movimiento relativo responsable y el mecanismo físico por el cual el material cede en su
resistencia al desgaste.
Actualmente se encuentran varios tipos de desgaste, como son el desgaste abrasivo, el
desgaste adhesivo o el desgaste por fatiga; el cual por su apariencia superficial se
encuentra los términos de picado, rayado o grietas. Para entender esto, hay que tener en
cuenta el mecanismo por el cual es removido el material.
Una de las formas para poder caracterizar y encontrar la solución al problema del
desgaste es la utilización de herramientas de laboratorio como son los ensayos
tribológicos, donde su principal objetivo es reproducir el mecanismo dominante de
desgaste.
Por otro lado existen herramientas computacionales que permiten simular el
comportamiento del desgaste, el cual varios diseñadores de estas herramientas utilizan
como referencia, el modelo matemático de Archard, que fácilmente relaciona los factores
que intervienen en el desgaste. Uno de los diseñadores de estos modelos
computacionales es Hegadekatte, que propone en su modelo una deformación elástica y
un cambio en el área de contacto durante el proceso del desgaste.
Para este proyecto de investigación se desean comparar dos formas de evaluar el
desgaste, por deslizamiento y por abrasión; teniendo como referencia las normas ASTM
G99 Y ASTM G65 respectivamente. Se evaluó por medio de un diseño experimental,
realizando combinaciones de los factores que intervienen en el desgaste. El cual se
obtuvieron repuestas cualitativas y cuantitativas de los t ipos de desgaste en los aceros
AISI/SA E 1020, 1045 y 4140.
5
1 OBJETIVOS
1.1 OBJETIVO GENERAL
Comparar el desgaste por abrasión y el desgaste por deslizamiento de los aceros
AISI/SA E 1020, 1045 y 4140, según las normas ASTM G99 Y G65.
1.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS
• Caracterizar los aceros AISI/SA E 1020, 1045 y 4140 mediante ensayos de
laboratorio; análisis de composición química, análisis metalografico y ensayos de
dureza.
• Comparar los resultados en los ensayos obtenidos por la máquina de desgaste por deslizamiento según la norma técnica ASTM G99 contra los resultados obtenidos
por la máquina de desgaste por abrasión según la norma técnica ASTM G65, de
los aceros AISI/SA E 1020, 1045 y 4140.
• Validar el proceso de desgaste con los ensayos realizados por las maquinas
según normas ASTM G99 y G65, aplicando un modelo matemático basado en la
ecuación de Archard.
• Diseñar y construir una máquina de desgaste por deslizamiento según la norma
ASTM G99.
6
2 MARCO TEORICO
2.1 SISTEMA TRIBOLOGICO
Tribología es la ciencia que estudia la interacción de las superficies en movimiento
relativo, que incluye el estudio de la fricción, desgaste y lubricación. La fricción y el
desgaste representan dos aspectos esenciales de la conducta de los materiales en
contacto.
Un sistema tr ibológico se compone de los elementos que están involucrados directamente
con los problemas de fricción y desgaste (Handbook, 1995). Estos son conocidos como
triboelementos, estos al ser analizados presentan un tipo de contacto, que representa la
forma como el área de contacto se mueve con respecto a la otra superficie en contacto.
Un ejemplo sencillo es el de un bloque que se desliza sobre otro como se muestra en la
f igura 1. El triboelemento 1 que está en continuo contacto, se mueve a lo largo del
triboelemento 2.
La f igura 1, muestra ejemplos típicos de tribosistemas y las diferentes formas de contacto
de los triboelementos.
7
Figura 1. Sistemas tribol ógicos. Tomado de (ASM, 1992)
El desgaste ocurrido en un tribosistema depende de varios factores ocurridos en el
triboelemento, el cual se enumeran a continuación
• Parámetros químicos, como la composición química del material.
• Parámetros físicos, como la conductividad térmica.
• Parámetros mecánicos, como el modulo elástico, la dureza y la tenacidad a la
fractura.
• Parámetros geométricos, como la topografía superficial.
• Parámetro microestructural del material.
Además de los elementos estructurales del tribolemento, existen factores que modif ican el
comportamiento del desgaste, propios de los parámetros de funcionamiento de un
componente mecánico.
8
2.2 CLASIFICACIÓN DEL DESGASTE
Es importante cuando se describe el desgaste, el distinguir claramente entre la naturaleza
del movimiento relativo responsable y el mecanismo físico por el cual el material cede en
su resistencia al desgaste.
El desgaste podr ía ser clasif icado de la siguiente manera (Bayer, 2004.):
Apariencia superficial del desgaste. Como ejemplo los términos de picado, rayado.
1. Mecanismo por el cual es removido el material o causa de daño. Como son los
tipos adhesión y abrasión.
2. Condiciones de frontera, como por ejemplo desgaste en ambiente lubricado,
desgaste en seco, desgate por deslizamiento o abrasivo.
La evidencia del desgate es encontrada por lo que ocurre en el t iempo o con diferentes
condiciones de operación, estas observaciones podrían guiar a tomar acciones para
resolver el problema. Existe cuatro formas de desgaste principales (Rabinow icz, 1995):
abrasivo, adhesivo, corrosivo y fatiga superficial. El cual en este proyecto de
investigación se encontraran los siguientes:
2.2.1 DESGASTE ABRASIVO
Debido a partículas duras, presentes en el contacto de los sólidos, partículas duras entre
o embebidas en una de las superficies o en ambas. Dando lugar a la remoción de material
de alguna de las siguientes formas:
• Micro – arado: una fosa se forma delante de una partícula y el material adyacente
formando una cordillera, el material se remueve por el paso de más partículas causando
una microfatiga.
• Micro corte: Producen una pérdida de mater ial igual a la ranura de desgaste producida.
• Micro fractura: Cuando las partículas abrasivas son concentradoras de altos esfuerzos (Particularmente en mater ial frágil)
9
El desgaste abrasivo puede ser clasif icado según la carga que se aplica en el proceso
como de bajo esfuerzo (por ejemplo el lijado de madera con papeles de lija ), alto esfuerzo
(partículas abrasivas es triturada) y el acanalado ”googing”, que consiste en que grandes
partículas cortan el mater ial. (Sarkar, 1990)
Figura 2. Desgaste Abrasivo
2.2.2 DESGASTE ADHESIVO
Desgaste suave o moderado Cuando la carga es lo suficientemente baja, se genera
usualmente una película de oxido, como resultado del calentamiento superficial o causa
del deslizamiento (la perdida de oxido permanece en contacto directo entre rugosidades).
El desgaste suave ocurre en superficies bien lubricadas, de poca compatibilidad
metalúrgica, o en materiales de alta reactividad para formar película de oxido. Desgaste
severo (Galling). Unión metálica entre las asperezas de los materiales en contacto al
aplicar altas cargas. Ocurre en pares metálicos con poca lubricación (F. & J., 1995).
SURCO
10
Figura 3. Desgaste Adhesi vo.
2.3 FACTORES QUE INTERVIENEN EN EL DESGASTE
El desgaste de componentes mecánicos se presenta por factores que intervienen en su
generación, y que forman parte de las condiciones reales de trabajo y de las características propias de un material (Sarkar, 1990), a continuación se resumen las
variables que están relacionadas con el desgaste:
2.3.1 CARGA NORMAL
El desgate se incrementa proporcionalmente con la carga. A medida que aumenta la
carga normal aplicada en el contacto deslizante aumenta el volumen de material removido
de las superficies y la razón de desgaste, así mismo los mecanismos de desgaste se
tornan más agresivos (Sarkar, 1990).
2.3.2 VELOCIDAD
El efecto de la velocidad es provocar un incremento en la temperatura de la interface de
deslizamiento. Por lo tanto, debe ser más fácil la formación de un oxido. Un incremento en
la temperatura signif ica también que la dureza del metal disminuye por lo que debe
esperarse un aumento en la razón del desgaste. Es sabido que a velocidades muy altas
MATERIAL ADHERIDO
11
se produce una fusión de las superficies en contacto, efecto que se acentúa si el punto de
fusión y la conductividad térmica del material son bajos.
Sin embargo el efecto general de incrementar la velocidad de la superficie genera una
reducción en la razón del desgaste, el mecanismo básico del desgaste no cambia
cualquiera que sea la velocidad de la superficie (Seireg, 1998).
2.3.3 TEMPERATURA
La temperatura en el proceso de desgaste tiene un efecto proporcional al mismo, a
medida que se eleve la temperatura se incrementa la razón de desgaste.
2.4 MODELO MATEMATICO PARA EL DESGASTE
Cuando dos superficies están juntas, el contacto se realiza básicamente con las
asperezas más altas; el área total de contacto real está determinada por la deformación
experimentada por el material en estas regiones bajo la carga aplicada. El área real de
contacto, que en general, es una pequeña parte del área de contacto aparente (Archard,
1953), el cual comprende muchas áreas de contactos individuales que ocurren entre
asperezas en los cuales son influenciados por el numero, el tamaño y la distancia de
separación.
El objetivo de Archard era relacionar la carga, la conductancia y el área de contacto real
para las condiciones de múltiples contactos entre asperezas, tal como ocurre en las
superficies rugosas. Este investigador logra crear un modelo matemático que relaciona
todos estos factores de manera directa a partir de su modelo de contacto múlt iples.
En la construcción del modelo matemático, Archard relaciona su trabajo con
investigaciones anteriores, que corresponden a situaciones de contacto entre un par de
asperezas deformables o entre una aspereza deformable y una superficie plana, lisa y
rígida, todas ellas en ausencia de fricción.
12
Con base en lo planteado por Hertz, y al suponer que las asperezas tienen forma
hemisférica; se tiene que el radio del área circular de contacto , y el radio R de una aspereza presionada con una carga P sobre una superficie plana, está dada de la
siguiente manera:
1.1 Ec. 1
Esto en el caso que se asume una deformación elástica; donde, E1 y E2 son los módulos
de elasticidad de los materiales en contacto.
De lo planteado por Bow den Y Tabor (Rabinow icz E. , 1951), se tiene que para
condiciones de f lujo plástico en materiales que prácticamente exhiben un comportamiento
elástico- plástico, la presión de f lujo permanece constante; y solo depende de la relación
entre la carga normal aplicada y el área real de contacto. De esta forma, asumiendo una deformación plástica, el radio del área de contacto está dado de la siguiente manera:
·
Ec. 2
Donde, es el f lujo de presión (asumido constante) del material deformable.
Figura 4. Modelo de contacto.
El modelo inicial asumido por Archard es por un área de contacto único, como es
mostrado en la f igura 4, que consiste en una superficie plana no deformable y una
superficie esférica deformable de radio R. Con base en las variables de la geometr ía se
puede deducir fácilmente que el área de contacto es,
= 2 Ec. 3
13
Donde
2 Ec. 4
2 Ec. 5
Esta ecuación aplica para el caso de un contacto en deformación plástica. Para el caso de
deformación elástica, se tiene que evaluar el cambio experimentado por el área de
contacto A y hacer uso de la ecuación de Hertz, donde el valor b es la mitad del anterior,
ósea .
En el caso de deformación plástica se tiene que la presión de f lujo está dada por la
relación , de donde se deduce que 2 . En el caso de deformación
elástica, al considerar que , se tiene que,
⁄ ⁄ Ec. 6
Donde se pueden obtener las siguientes relaciones generales para el área de contacto
Ec. 7
Donde,
1 y c = 2 , para deformación plástica.
y c = 4,25 ⁄ , para deformación elástica.
Ahora, con base en las expresiones anteriores se puede generar un modelo de múlt iples
áreas de contacto. Para esto Archard considera una superficie plana rugosa deformable
puesta en contacto contra otra superficie plana, lisa y rígida. Ver f igura 5.
Figura 5. Modelo de múltiples áreas de contac to.
14
La superficie deformable se halla compuesta solo por un gran número de asperezas
hemisféricas de igual radio de curvatura R y cuyas alturas se hallan distribuidas de
manera uniforme. Archard hace uso de una distribución discreta para las alturas de las
asperezas, lo cual se ajusta bien para esto, el considera que en dirección x existe una
aspereza en cada una de la siguientes coordenadas x= 0, h , 2h …… donde h<<<R.
luego, existen asperezas por unidad de profundidad en x, donde hay M asperezas por
unidad de altura, simplif icada de la siguiente forma,
Ec. 8
Ahora si la superficie rígida se acerca una distancia x = N.h de la superficie deformable,
se obtiene que el área total de contacto está dada por la suma de las contribuciones
hechas por cada una de las N asperezas en contacto,
∑ Ec. 9
Dado que N es muy grande, el área total de contacto se puede aproximar a
Ec. 10
De manera similar se pueden hallar la expresiones para la carga.
Ec. 11
Donde,
C=Mc/(1+p) Ec 12
Al combinar las relaciones se obtiene la siguiente expresión para el área de contacto en
función de la carga.
/ ⁄ Ec. 13
La discusión hecha por Archard respecto a los resultados encontrados en su
investigación, y consiente de las limitaciones del modelo, brinda una mirada amplia del
panorama que atañe el tema del contacto entre superficies rugosas. A continuación se
exponen algunos de los aspectos propuesto en su modelo.
Tabla 1. Resumen de las rel aciones teóricas entre el ár ea real de contac to y la carga nor mal.
15
DEFORMACION
UN AREA DE CONTACTO
MULTIPLES AREAS DE CONT ACTO
ELASTIC A
/
PLASTIC A
El modelo pese a su simpleza, puede plasmarse en un grupo de relaciones matemáticas
tales como la Ec. 8, o de una manera más sencilla mediante el uso de la tabla1 donde se
resumen los diferentes tipos de relaciones posibles entre el área de contacto y la carga
normal.
A partir del modelo de múlt iples contactos, Archard construye su modelo sencillo de desgaste mecánico, del cual deriva la ley de desgaste lineal o proporcional en función de
la carga normal.
Archard a partir de las investigaciones realizadas por Holm, Burw ell, Rabinow i (Archard,
1953), propone los siguientes mecanismos para la remoción de partículas de desgaste
con base en la forma de las partículas y el t ipo de deformación:
1. Remoción por grumos desde las zonas de contactos formados por deformación
plástica.
2. Remoción por grumos desde las zonas de contactos formados por deformación
elástica.
3. Remoción por capas desde las zonas de contactos formados por deformación
plástica.
4. Remoción por capas desde las zonas de contactos formados por deformación
elástica.
Para la construcción del modelo Archard tuvo en cuenta ciertas suposiciones, como:
1. Tamaño y distribución del área total de contacto; para esto empleo el modelo de
múltiples contactos asumiendo una distribución uniforme en las alturas de las
asperezas y además considerando que ambas superficies en contacto son
rugosas.
16
2. La duración de los contactos, se asume que a medida en que un contacto va
desapareciendo se reduce el área de contacto, en otro lugar, la zona de contacto
aparente. Un nuevo contacto se irá formando de manera que el área total de
contacto permanece constante independiente de la geometr ía de las asperezas en
contacto.
3. La forma de las partículas de desgaste, al suponer asperezas de forma
hemisférica, se hacen dos supuestos con respecto al volumen de las partículas de
desgaste así,
• Remoción por capas
, Ec 14
Donde es una constante que representa el espesor de la capa removida,
y por lo tanto para este caso, el espesor de capa es independiente de la
carga normal y del radio del área de contacto.
• Remoción por grumos
, Ec 15
Donde es una constante, la cual indica la profundidad a la cual el material arrancado es proporcional al radio del área de contacto, es decir,
estadísticamente la forma de las partículas de desgaste es independiente
de su tamaño (son geométricamente semejantes).
4. El factor de probabilidad, Independiente del tamaño de los contactos, no todos los
contacto generan partículas de desgaste y por tanto, para cada sistema se define
un factor K, que da cuenta de la probabilidad de que se forme una partícula de
desgaste a partir de un contacto dado. Este factor de probabilidad solo aplica a un
rango de condiciones experimentales para los cuales el proceso de desgaste
tenga las mismas características.
Al definir la tasa de desgaste W como el volumen desgastado por unidad de distancia
deslizada, se tiene entonces la suma de las contribuciones de los contactos donde se
generan partículas de desgaste durante un periodo de tiempo especif ico, esto puede
expresarse de la siguiente manera, con base a los anteriores supuestos,
17
∑ ∑ /2 Ec. 16
Las relaciones teóricas entre la razón de desgaste y la carga para los cuatro mecanismo
de desgaste son resumidos en la tabla 2. De estos mecanismos el más aproximado, es
remoción por grumos, formado desde el área de contacto por deformación plástica. Este
es el resultado de los experimentos de fricción.
Asumiendo partículas de desgaste hemisféricas, del mismo radio como las áreas de
contacto, la razón de desgaste está dada de la siguiente manera:
/3 Ec. 17
Esta ecuación es similar a la ecuación de Holm (Holm, 1946) Y es obtenida
esencialmente reemplazando el concepto de Holm de remoción de átomos por partículas
de desgaste removidas.
Tabla 2. Relaciones teóricas entre el desgaste y la carga.
DEFORMACION
PARTICULA
RELACION ENTRE EL W Y P
ELASTICO
CAPA
GRUMOS
PLASTICO
CAPA
GRUMOS
Puede notarse que el ¨modelo de múlt iples áreas de contacto¨ es asumido con la
ecuación anterior; cuando la deformación es plástica y el desgaste ocurre por remoción de
grumos; es solamente necesario hacer las consideraciones 2 y 3, sobre la duración del
contacto del desgaste y la forma de la partícula desgastada.
Las conclusiones a partir de la expresión matemática son:
• La razón de desgaste es proporcional a la carga.
• La razón de desgaste es independiente del área aparente de contacto.
• Siempre K y Pm son contantes, la razón de desgate es independiente de la
velocidad de deslizamiento.
18
2.5 MODELO PARA SIMULAR EL PROCESO DE DESGASTE
El desgaste en materiales ferrosos como se menciono anteriormente depende de muchos
factores, siendo relacionadas a través del modelo matemático de Archard los relaciona en
forma directa. La implementación del modelo, muestra el comportamiento del desgaste
contra el tiempo o distancia deslizada; la ecuación propuesta por Archard, se puede
desarrollar de forma iterativa con la utilización del método de Euler para el desarrollo de
esta, de la siguiente manera:
Ec.18
Donde es la altura desgastada del pin, es la probabilidad de desgaste, la carga
aplicada, la dureza del material y la velocidad de deslizamiento.
Sin embargo se debe tener en cuenta el t ipo de contacto y la deformación del material durante el proceso de desgaste, el cual se debe asumir de forma plástica o elástica, junto
con el cambio de área que está en contacto con el otro material; Hegadekatte
(Hegadekatte & Kurzenha, 2008), propone un modelo computacional para la evaluación
del desgaste, donde se asume una deformación elástica y se inicia a calcular el modulo
de elasticidad equivalente al contacto ( ) de los dos materiales usando la ecuación de
Hertz de la siguiente forma:
Ec. 19
Donde y son los módulos de elasticidad del pin y el disco respectivamente, y la
razón de poisson representados por y respectivamente. Ya determinado el modulo
de elasticidad equivalente para los materiales en contacto, se procede a calcular el radio
de contacto con la siguiente ecuación:
Ec. 20
19
Donde es el radio de contacto, la carga aplicada y el radio del pin. El cambio de
área se obtiene a partir de la geometr ía del pin de la siguiente manera:
Figura 6. Geometría del pi n.
2 Ec. 21
Hegadekatte incluye en su modelo computacional la deformación elástica normal al
contacto usando la siguiente relación (Sinisa & Jhonson, 1999):
Ec. 22
Donde, es el cambio en la fuerza normal y el cambio de la altura elásticamente. la ecuación anterior, también se puede escribir de la siguiente manera:
2 Ec. 23
Reemplazando la ecuación 22 en la ecuación 23, se obtiene lo siguiente,
Ec. 24
Esta relación asume dos sólidos perfectamente unidos, es decir, en la zona de contactó
no existe movimiento tangencial. La rigidez de contacto tangencial es directamente
proporcional al tamaño de contactó y al modulo .
20
3 PROCEDIMIENTO EXPERIM ENTAL
3.1 CARACTERIZACION DE LOS MATERIALES
Con el f in de caracterizar los materiales de estudio fue necesario hacer probetas a partir
del mismo. Se selecciono una sección que fuera lo más representativa posible para los
análisis. De esta forma se obtuvieron muestras de los materiales, a las cuales se les
realizo análisis de composición química, ensayos de dureza y análisis metalografico;
como se muestra en la f igura 7.
(a)
(b)
Figura 7. Mues tra de material. (a) Probeta composición química, (b) Probeta metal ografía.
3.1.1 COMPOSICIÓN QUÍMICA
El análisis de composición química de los aceros, se realizo siguiendo la norma ASTM E
350 (ASTM, Standard test methods for chemical analysis of carbon steel, silicon electrical
steel and iron, 2005), por espectrometr ía de emisión óptica. El equipo utilizado es un espectrómetro Thermo de Emision óptica ARL Quantodesk. Se llevaron a cabo 5 quemas
en cada uno de los mater iales.
El promedio de los porcentajes de peso de cada uno de los materiales se resumen en la
tabla 3.
21
Tabla 3. Composición química. Porcentaj e en peso.
C
Si
Mn
Cr
Ni
Cu
Al
AISI / SAE 1020
0,17-0,23
0,1-0,4
0,3-0,6
Muestra
0,147
0,113
0,431
0,122
0,085
0,175
0,029
AISI / SAE 1045
0,42-0,5
0,6-0,9
Muestra
0,439
0,155
0,715
0,029
0,002
0,005
0,013
AISI / SAE 4140
0,38-0,43
0,15-0,35
0,75-1
0,8-1,1
Muestra
0,408
0,201
0,514
0,953
0,018
0,037
Los promedios obtenidos de los elementos que constituyen estos aceros están dentro de
los rangos encontrados en la literatura de estos materiales.
3.1.2 ENSAYOS DE MICRODUREZA
Los ensayos de microdureza se realizaron siguiendo la norma ASTM E 384. Se utilizó la
escala de medida Vickers, con una carga de 100 g, se realizaron cinco indentaciones
sobre una de las probetas a las cuales van a ser sometidas a ensayos de desgaste. En
la tabla 4 se resumen los resultados.
Tabla 4. Durezas Vickers
Material
Dureza
HV
Desviación estándar
AISI / SAE 1020
126
Muestra
126
1,16
AISI / SAE 1045
185
Muestra
183
0,27
AISI / SAE 4140
307
Muestra
296
0,66
22
Las durezas obtenidas concuerdan con los valores teóricos que se encuentran en la
literatura especializada de este tipo de aceros.
3.1.3 ESTUDIO METALOGRAFICO
Las muestras a las cuales se les realiza el análisis metalográfico fueron preparadas
siguiendo la norma ASTM E 03 (ASTM, Standard guide for preparation of metallographic
specimens, 2005). Una vez pulidas se procedió atacar los materiales con Nital, durante 5
segundos. El análisis se realizo por microscopia óptica y por microscopia electrónica de
barrido (SEM). A continuación se muestran las micrografías de los Materiales; estas
muestran microestructuras típicas de estos materiales. Se observan microestructuras de
ferrita (F) y perlita (P).
1. Acero AISI / SA E 1020
(a)
(b)
Figura 8. Transversal. Matriz de F errita con Perlita. (a) Microscopi o óptico a 200X. (b) SEM 6000X.
(F)
(P)
23
2. Acero AISI / SA E 1045
(a)
(b)
Figura 9. Transversal. Matriz de F errita con Perlita. (a) Microscopi o óptico a 200X. (b) SEM 6000X.
3. Acero AISI / SA E 4140
(a)
(b)
Figura 10. Transversal. Matriz de Ferrita con Perlita. ( a) Microscopio óptico a 200X. (b) SEM 6000X
(F)
(P)
(P)
(F)
24
3.2 ENSAYOS DE DESGASTE
3.2.1 ENSAYO DE DESGASTE POR ABRASION
El ensayo de desgaste por abrasión esta estandarizado por la norma ASTM G65 (ASTM,
Standard test method for measuring abrasion using the dry sand/rubber w heel apparatus,
2004).Con este método de ensayo se pretende determinar la resistencia de los materiales
metálicos, por medio de arena seca / rueda de goma.
La intención de este ensayo es encontrar datos de los materiales en su resistencia a la
abrasión en un determinado conjunto de condiciones. Este método cubre cinco
procedimientos recomendados, el cual es apropiado para un específ ico grado de
resistencia al desgaste del material a prueba. Los 5 procedimientos se muestran en la
siguiente tabla
Tabla 5. Parámetros nor ma G65
Procedimiento Carga (N) Numero Vueltas A 130 6000
B 130 2000
C 130 100
D 45 6000
E 130 1000
La universidad de los andes cuenta con una maquina de desgaste abrasión calibrada,
como se muestra en la siguiente f igura 11.
Fig 11. Maquina de desgaste por abrasi ón
25
El material abrasivo utilizado en las pruebas de abrasión fue arena Ottaw a, como se
muestra en la f igura 12. Para tener en cuenta el tipo de material utilizado como abrasivo,
se procedió a calcular parámetros morfológicos del mismo. Utilizando un parámetro a -
dimensional que describe la redondez de la partícula, P2/A, donde P es el perímetro y A
es el área de la partícula en el plano de proyección (Toro & Castañeda). El resultado del
parámetro de redondez se muestra a continuación en la tabla 7.
Figura 12. Micrografía arena Ottawa.
Tabla 6. Parámetro morfológico de l a arena
PAR AMETRO DE REDONDES P2/A
Promedio Desviación Estándar % Diferencia* 15,97 0,99 27,12
*% diferencia es calculado a partir forma es férica (P2/A = 12,56)
3.2.2 ENSAYO DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO
El ensayo de desgaste por deslizamiento se realizo siguiendo la norma ASTM G99
(ASTM, Standard test method for w ear testing w ith a pin on disk apparatus, 2005). Este
método de ensayo de laboratorio es utilizado para determinación del desgaste de los
mater iales durante el deslizamiento, usando como equipo de ensayo un disco-pin, como
se muestra en la siguiente f igura 13.
26
Figura. 13 maquina disco - pi n
Para este trabajo de investigación, se diseño y se construyo un equipo disco-pin (ver
anexo).
3.2.3 PREPARACION DE LAS MUESTRAS
Las normas de desgaste abrasivo ASTM G65 y desgaste por deslizamiento ASTM G99
sugieren ciertas recomendaciones que los materiales deben cumplir antes de efectuar los
ensayos de desgaste, estas se enuncian a continuación:
3.2.3.1 DIM ENSIONES DE LAS PROBETAS
1. los ensayos de desgaste por abrasión, las probetas tienen una forma rectangular de
25 por 76 mm (1 por 3 pulgadas), y entre 3,2 y 12,7 mm (0,12 y 0,50 pulgadas) de
espesor. El tamaño puede ser variado según la necesidad del ensayo. La superficie
del material debe ser plana (ASTM, Standard test method for measuring abrasion
using the dry sand/rubber w heel apparatus, 2004).
2. los ensayos de desgaste por deslizamiento, el pin tiene una forma cilíndrica con una
punta radial, el diámetro esta dentro del rango de 2 a 10mm (ASTM, Standard test
method for w ear testing w ith a pin on disk apparatus, 2005).
27
A partir de la formas como sugieren las normas y de cómo se adquirió el material se
procedió a construir las probetas para los diferentes ensayos de desgaste; como es visto
en la siguiente f igura 14.
(a)
(b)
Figura 14. Probeta para ensayo desgaste. (a) Desgaste abrasivo. (b) D esgaste por deslizamiento.
3.2.3.2 ACABADO SUPERFICIAL
Las normas ASTM G65 y ASTM G99 concuerdan que todas las probetas que se van a
someter a ensayos de desgaste deben tener una superficie lisa y libre de cualquier
imperfección del material; recomiendan que la rugosidad superficial debe ser igual o
menor de 0,8 micras métricas.
Para lograr lo anteriormente mencionado se requirió un maquinado suave y una misma
velocidad tangencial del disco o barra con respecto a la posición de la herramienta.
Después de maquinar y obtener las probetas de los materiales de estudio, se procedió a
comprobar el acabado superficial; se utilizo un rugosimetro de marca Hommelw erke,
dando el valor de la media en la rugosidad, Ra. (Ver f igura 15).
28
Figura 15. T oma de datos rugosidad.
El promedio de las rugosidades de cada uno de las probetas se resume en las siguientes
tablas:
Tabla 7. Rugosidad probetas par a desgaste abrasi vo
Ra( µm )
Material
1020
1045
4140
promedio
0,53
0,56
0,37
* Distancia del sensor recorrida de 15mm
Tabla 8. Rugosidad probetas (pin) para desgaste adhesiv o
Ra ( µm )
Material
1020
1045
4140
promedio
0,67
0,72
0,58
* Distancia del sensor recorrida de 1,5mm
3.3 DISEÑO EXPERIMENTAL
El diseño experimental para la evaluación del desgaste se realizo de forma factorial, el
cual se ajusta a esta investigación, dando todas las combinaciones posibles, y
respuestas de los factores que intervienen en el desgaste. Y a su vez se podría analizar si
hay una interacción entre los factores. Es decir, con este tipo de diseño experimental se
29
espera comprobar si hay algún efecto signif icativo por cada una de las fuentes de
variación en la descripción de la respuesta.
3.3.1 SELECCIÓN DE LOS FACTORES Y NIV ELES
3.3.1.1 FACTORES Y NIV ELES PARA LAS PRUEBAS DE DESGASTE ABRASIVO
Como se menciono anteriormente la norma ASTM G65 recomienda 5 procedimientos que
son apropiados para diferentes grados de resistencia al desgaste. A partir de esto se
podría realizar varias combinaciones, el cual podemos desarrollar con un diseño factorial
de dos factores, que son la carga aplicada y el número de vueltas a la que se somete la
probeta en esta prueba. En este ensayo se observa que cada factor exige varios niveles
que permita desarrollar diferentes modos de desgaste. En la f igura 16 se puede apreciar
cada uno de los factores con los niveles correspondientes.
Figura 16. Diseño experimental para las pruebas de desgaste abrasivo
En la tabla11 se muestra a continuación todas las combinaciones posibles con los
factores y niveles propuestos
DISEÑO EXPERIMENTAL
Carga (FN)
45 N
130 N
Numero de vueltas
1000
2000
6000
30
Tabla 9. Diseño experimental
RUN
CARGA (N)
VELOCIDAD (m/s)
1
130
1000
2
130
2000
3
130
6000
4
45
1000
5
45
2000
6
45
6000
3.3.1.2 FACTORES Y NIV ELES PARA LAS PRUEBAS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO.
El mapa propuesto por Ashby (Ashby & Lim, Wear - mechanism maps, 1990) se
encuentran varios modos de desgaste con diferentes características que los identif ican,
para llegar a esto hay que realizar varias combinaciones; el cual lo podemos desarrollar
con un diseño factorial de dos factores, que son la carga aplicada y la velocidad de
deslizamiento. Pero aun así cada factor exige varios niveles que permita entender todos
los modos de desgaste.
La máquina de Disco-pin está diseñada para velocidades desde 0,1 hasta 10 m/s y
cargas de (0-30N), el cual entrega un amplio rango para el estudio del desgaste, con esto
se propone estudiar cada factor con tres niveles. En la f igura 17 se puede apreciar cada
uno de los factores con los niveles correspondientes.
31
Figura 17. Diseño experimental.
En la tabla 12 se muestra a continuación todas las combinaciones posibles con los
factores y niveles propuestos
Tabla 10. Diseño experimental
RUN
CARGA (N)
VELOCIDAD (m/s)
1
5
0,1
2
5
1
3
5
10
4
10
0,1
5
10
1
6
10
10
7
20
0,1
8
20
1
9
20
10
DISEÑO EXPERIMENTAL
Carga (FN)
5 N
10 N
20 N
Velocidad (m/s)
0,1 m/s
1 m/s
10 m/s
32
4 RESULTADOS Y DISCUSION
4.1 COMPORTAMIENTO DEL DESGASTE
4.1.1 EFECTO DE LA CARGA, LA V ELOCIDAD Y LA DISTANCIA DESLIZADA.
COMPORTAMIENTO DEL DESGASTE POR ABRASIÓN
(a) (b)
Figura 18. R esultado ensayo desgaste abrasi ón. (a) tendencia en puntos. (b) tendencia en columnas .
La f igura 18, muestra el comportamiento del ensayo abrasivo ASTM G65, los materiales
presentan un incremento en la pérdida de material a medida que aumenta la carga y el
número de vueltas. Esto indica que 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.
Los resultados de esta prueba abrasiva muestran que el acero AISI/SA E 1020 t iene
menor resistencia al desgaste abrasivo comparado con los otros materiales de estudio, y
el acero A ISI/SA E 4140 es el de mayor resistencia al desgaste abrasivo.
La pérdida de volumen obtenido en los ensayos ASTM G99, se muestra en la siguiente
f igura
0
20
40
60
80
100
120
140
0 5000
Perdida de
Volum
en (mm
3)
Numero de vueltas
130 N 1020130 N 1045130 N 414045 N 102045 N 104545 N 4140
0
20
40
60
80
100
120
140
1000 2000 6000
Perdida de
Volum
en (mm
3)
Numero de vueltas
130 N 1020130 N 1045130 N 414045 N 102045 N 104545 N 4140
33
COMPORTAMIENTO DEL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO
(a) (b)
Figura 19 Resultado ensayo desgas te por deslizamiento. (a) tendencia en puntos . (b) tendenci a en col umnas
Al igual que el comportamiento en el desgaste por abrasión, el incremento en la perdida
de material en los mater iales es proporcional a la carga. La f igura 19 muestra que la
velocidad tiene un efecto diferente en este ensayo, las mayores pérdidas de material
suceden a la velocidad de deslizamiento de 1 ms-1 , en donde se esperaba que a la
velocidad de 10 ms-1 fuera la más alta, esto es debido a un cambio en las superficies de
contacto (Ashby & Lim, Wear - mechanism maps, 1990), donde el ensayo a 1ms-1 forma
una superficie mas abrasiva y rugosa debido al acumulamiento o perdida de material , en
el sucede todo lo contrario a 10 ms-1 , donde se forma una capa que evita el contacto entre los dos materiales, mostrando una superficie mas lisa o con una rugosidad más baja
(ver f igura 20), las superficies de los mater iales desgastados se detalla con más precisión
en el siguiente numeral.
Los resultados de la prueba de desgaste por deslizamiento muestran que el acero AISI
1020 tiene menor resistencia al desgaste comparado con los otros materiales de estudio,
y el acero 4140 el de mayor resistencia al desgaste.
0
10
20
30
40
50
60
70
0 10 20
Volum
en perdido
(mm
3)
Carga (N)
0,1 m/s 10200,1 m/s 10451 m/s 10451 m/s 414010 m/s 102010 m/s 104510 m/s 41401 m/s 1020
0
10
20
30
40
50
60
70
5 10 20
Volum
en perdido
(mm
3)
Carga (N)
0,1 m/s 10200,1 m/s 10450,1 m/s 41401 m/s 10201 m/s 10451 m/s 414010 m/s 102010 m/s 104510 m/s 4140
34
Figura 20. Comportamiento de la superficie desgastada
4.1.2 COMPARACIÓN CON EL MODELO MATEMÁTICO DE ARCHARD
El modelamiento del desgaste es una forma de predecir el comportamiento de la perdida de material, haciéndolo una herramienta fundamental para sistemas tribológicos. Se
escogió para la simulación de desgaste abrasivo el modelo simple de Archard, para ser
comparado y ver su alcance en una aplicación del desgaste por abrasión. En el caso del
desgaste por deslizamiento, se escogió una aplicación gradual del desgaste, modelo
computacional de HEGADEKA TTE (Hegadekatte & Kurzenha, 2008), por tener en cuenta
condiciones que van modif icando el resultado en el comportamiento del desgaste, donde
define que existe una deformación elástica durante el proceso. Para esta simulación se
utilizo el programa de Matlab.
El procedimiento que se utilizo para encontrar el valor del coeficiente de desgaste fue
hallando una ecuación que muestre la tendencia de los resultados en la prueba de
desgaste. Esta ecuación se encontró graficando las variables que afectan el desgaste
contra el coeficiente K calculado a partir de la ecuación de Archard. La tabla 13 presenta
los resultados de las pruebas de desgastes por deslizamiento según la norma ASTM G99,
se observa un aumento en la incertidumbre en los ensayos al aumentar los factores,
debido a factores que afectan la medición del desgaste como lo es la vibración ocurrida
durante el ensayo.
0
50
100
150
200
250
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
Fn*V
el
Rugosidad (micrasmetros),Ra
35
Tabla 11. Desgaste según nor ma G99
VARIABLES AISI 1020 AISI 1045 AISI 4140
Carga (N)
Distancia deslizada (m)
K (m/m)
Incertidumbre (%)
K (m/m)
Incertidumbre (%)
K (m/m)
Incertidumbre (%)
5 300 0,011 7,48 0,0053 12,46 0,0067 11,18
5 900 0,0093 3,20 0,0104 3,72 0,011 4,43
10 300 0,0058 25,91 0,0061 30,49 0,0077 27,78
10 900 0,0071 15,85 0,0079 34,74 0,0085 15,43
20 300 0,0041 48,22 0,0038 28,27 0,0055 30,99
20 900 0,0046 56,58 0,0043 51,08 0,0049 21,57
Las f iguras 21 y 22 muestran los resultados de la perdida de volumen obtenida por el
modelo matemático y el experimental. La respuesta de la simulación es muy similar al de
las curvas dadas por los ensayos de desgaste; el error encontrado entre lo experimental
y lo teórico esta dentro de un rango del 3 y el 16 por ciento, esto se puede relacionar con
el cambio que realiza la superficie, como el cambio de la dureza al f inal de cada ensayo
(ver f igura 23 y tabla 4) o el cambio de la superficie desgastada durante el proceso de
desgaste. Y por otro lado, se puede relacionar con los errores que se puedan tener
durante la experimentación o errores sistemáticos.
Paralelamente a lo mencionado anteriormente, los mater iales tienen una deformación
plástica en el proceso de desgaste, el cual debe ser tenido en cuenta en la aplicación del
modelo matemático de Archard, que es contrario a lo propuesto por Hegadekatte que
propone una deformación elástica; también el modelo debe tener en cuenta el cambio de
dureza durante el proceso de desgaste.
36
COMPARACIÓN DEL MODELO TEÓRICO CON LOS RESULTADOS DEL DESGASTE POR ABRASIÓN
(a) (b)
(c) (d)
Figura 21. (a) Carga de 130 N. T endencia en puntos . (b) Carga de 130 N. T endenci a en barras. (c) Carga de 45 N. Tendencia en puntos. (d) Carga de 45 N .Tendencia en barras
0
20
40
60
80
100
120
140
0 2000 4000 6000
Volum
en perdido
(mm
3)
Numero de Vueltas
1020 Exp.1020 Modelo1045 Exp.1045 Modelo4140 Exp4140 Modelo
0
20
40
60
80
100
120
140
1000 2000 6000
Volum
en perdido
(mm
3)
Numero de Vueltas
1020 Exp.1020 Modelo1045 Exp.1045 Modelo4140 Exp4140 Modelo
01020
304050607080
0 5000 10000
Volum
en Perdido
(mm
3)
Numero de Vueltas
1020 Exp.1020 Modelo1045 Exp.1045 Modelo4140 Exp4140 Modelo
01020
304050607080
1000 2000 6000
Volum
en Perdido
(mm
3)
Numero de Vueltas
1020 Exp.1020 Modelo1045 Exp.1045 Modelo4140 Exp4140 Modelo
37
COMPARACIÓN DEL MODELO TEÓRICO CON LOS RESULTADOS DEL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO
(a) (b)
(c) (d)
(e)
(f)
Figura 22. (a) Carga de 5 N. Tendenci a en puntos. (b) Carga de 5 N. Tendencia en barras. (c) Carga de 10 N. Tendencia en puntos. (d) Carga de 10 N. Tendencia en barras. (e) C arga de 20 N. T endenci a en puntos. (f) Carga de 20 N. Tendencia en barras
051015
20253035
40
0 500 1000
Volum
en Perdido
(mm
3)
Distancia deslizada (m)
1020 Exp.1020 Modelo1045 Exp.1045 Modelo4140 Exp4140 Modelo
051015
20253035
40
900300
Volum
en Perdido
(mm
3)
Distancia deslizada (m)
1020 Exp.1020 Modelo1045 Exp.1045 Modelo4140 Exp4140 Modelo
0
10
20
30
40
50
60
0 500 1000
Volum
en Perdido
(mm
3)
Distancia deslizada (m)
1020 Exp.1020 Modelo1045 Exp.1045 Modelo4140 Exp.4140 Modelo
0
10
20
30
40
50
60
900300
Volum
en Perdido
(mm
3)
Distancia deslizada (m)
1020 Exp.1020 Modelo1045 Exp.1045 Modelo4140 Exp.4140 Modelo
0
10
20
30
40
50
60
70
0 500 1000
Volum
en Perdido
(mm
3)
Distancia deslizada (m)
1020 Exp.1020 Modelo1045 Exp.1045 Modelo4140 Exp.4140 Modelo
0
10
20
30
40
50
60
70
900300
Volum
en Perdido
(mm
3)
Distancia deslizada (m)
1020 Exp.1020 Modelo1045 Exp.1045 Modelo4140 Exp.4140 Modelo
38
Figura 23. Dur eza después de las pruebas de desgas te. (Fn= carga normal)
4.2 COMPORTAMIENTO DE LA SUPERFICIE DESGASTADA
Las f iguras 24 y 26, muestran las superficies después del ensayo de desgaste ASTM
G65, donde la f igura 25 muestra una diferencia entre los surcos, estos se ven más
pronunciados a medida que se aumenta la carga y el número de vueltas. Esto es debido
al comportamiento de las partículas abrasivas sobre la superficie, donde estas tienen dos
movimientos, rodada y deslizada (Nilsson, Svahnb, & Olofsson, 2006), el cual producen
cambios en la superficie a nivel macro y micro. Esto se puede observar por el cambio de
la rugosidad en la superficie desgastada como se observa en la f igura 25.
0
50
100
150
200
250
0 100 200 300 400 500 600 700Fn*V
el
Dureza Vickers (HV)
39
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
Fig 24. Micrografía 50 x del acer o 1020. (a) carga de 130N y 1000 Vueltas. (b) carga de 130N y 2000 Vueltas. (c) carga de 130N y 6000 Vueltas. (d) carga de 45N y 1000 Vueltas. (e) carga de 45N y 2000 Vueltas. (f) carga de 45N y 6000 Vueltas.
Figura 25. C omportamiento de la superficie desgastada
01
2
34
56
7
89
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Fn*D
s
x 100000
Rugosidad(µm ), Ra
SURCO
SURCO SURCO
SURCO
SURCO
SURCO
40
En los resultados de los ensayos de desgaste por abrasión se encontró una serie de
marcas características que identif ican este tipo de desgaste; las f iguras 26 (a), (c) y (e),
mostraron la presencia de microsurcos del arrancado de material, producto del material
abrasivo, también se encontraron microgrietas superficiales y rayas paralelas a la
dirección de las partículas abrasivas, esto es debido a que la partícula es capaz de
penetrar el mater ial por su fuerza normal sobre la superficie (Sarkar, 1990). Las f iguras 26
(b), (d) y (f), dif ieren de las anteriores ya que el arranque de material es por la acción de
varias partículas que pueden generar concentración de tensiones (Grigoroudis, 1997)
(Sarkar, 1990), y luego generan microgrietas, llevándolo posteriormente al
desprendimiento del material.
(a)
(b)
(c)
(d)
MICROSURCO
MICROGRIETA MICROGRIETA
MICROGRIETA
MICROSURCO
MICROGRIETA
41
(e)
(f) Fig 26. Micrografía 50 x (a) acer o 1020 carga de 130N y 1000 Vueltas. (b) acer o 1020 carga de 45N y 1000 Vueltas. (c) acero 1045 carga de 130N y 1000 Vueltas. (d) acero 1045 carga de 45N y 1000 Vueltas . (e) acero 4140 carga de 130N y 1000 Vueltas. (f) acero 4140 carga de 45N y 1000 Vueltas.
La f igura 27, muestra las huellas dejadas por el ensayo de desgaste ASTM G99, se nota
una gran diferencia en las superficies de cada material, esto es debido al cambio de
velocidad; la superficie desgastada a una velocidad de deslizamiento menor de 1 ms-1,
presenta surcos, debido al material eliminado que se convierte en material abrasivo para
la superficie, y presenta cierta capa de material adherido a la superficie.
La superficie desgastada a una velocidad mayor de 1ms-1, evidencia una película de oxido
formada por el calentamiento de la superficie a altas temperaturas (T° = 212°C tomada
cerca a la superficie de contacto) y a las condiciones extremas del ensayo, el óxido es lo
suficientemente caliente que f luye, e, incluso se funde en la superficie (Ashby, the w ear of
sliding condit ions on theory friction of metals, 1988), el tipo de oxido encontrado en los
pines es oxido de hierro (Fe2O3), como se muestra en la tabla 14. En este punto del
ensayo de desgaste por deslizamiento, se observa una reducción de la tasa de desgaste
debido a la lubr icación que ejercen los óxidos formados en la superficie de contacto que
resulta en la ausencia de capas de adhesión.
MICROSURCO
MICROGRIETA
42
Tabla 12.Composición química en la superficie del pi n. Porcentaje en peso.
Elemento
MnO
Fe2O3
Porcentaje en peso
0,83
99,17
(a) (b) (c)
(d)
(e)
(f)
SURCO
MATERIAL ADHERIDO
PELÍCULA DE
OXIDO
MICRO ARADO
MICRO GRIETA
MATERIAL ADHERIDO
PELÍCULA DE OXIDO
SURCO
MICRO GRIETA
MICRO ARADO
43
(g)
(h)
(i)
Fig 27. Micrografia a 40x. (a) acero 1020 a una carga de 10N y 0,1ms-1. (b) acero 1020 a una carga de 10N y 1ms-1. (c) acero 1020 a una carga de 10N y 10ms-1. (d) acero 1045 a una carga de 10N y 0,1ms-1. (e) acero 1045 a una carga de 10N y 1ms- 1. (f) acero 1045 a una carga de 10N y 10ms-1. (g) acer o 4140 a una carga de 10N y 0,1ms-1. (h) acero 4140 a una carga de 10N y 1ms-1. (i) acero 4140 a una carga de 10N y 10ms-1.
El ensayo de desgaste a la velocidad de 1 ms-1 mostro sobre la superficie pequeñas
capas de adhesión; se observan marcas de deformación, evidencia de fracturas en la
dirección de deslizamiento; de esto resulta, la nucleación y propagación de grietas que
remueven las hojuelas de material. En este punto del ensayo, el pin sufre una pérdida de
masa por la presencia de capas de adhesión y de surcos, producto de la interacción de
asperezas con la superficie de desgaste, esto se refleja en el incremento de la rugosidad
del pin. El micromecanismo encontrado en este punto del ensayo se podría relacionar con
la acumulación de material por la deformación plástica (ratchetting) (Ashby, Wear - rate
transitions and their relationship to w ear mechanism, 1986), que después de un número
de contactos determinado entre las asperezas, produce la falla superficial del material por
su incapacidad para continuar la deformación plástica. Se encontró que existe una
proporcionalidad directa entre rugosidad de las superficies y el comportamiento del
desgaste (Rabinow icz, 1965), Donde las asperezas del pin comienzan arar la superficie
del disco y a crear juntas de adhesión, seguido posiblemente por abrasión de las partículas de desgaste
PELÍCULA DE OXIDO
SURCO
MATERIAL ADHERIDO
MICRO ARADO
44
5 CONCLUSIONES
Los ensayos de desgaste por abrasión y desgaste por deslizamiento, son métodos
diferentes de simular el comportamiento del desgaste; cuantitativamente muestra la
dependencia del material contra los parámetros de funcionamiento, mostrando que el
acero AISI/SA E 4140 tiene mayor resistencia al desgaste comparado con los otros
aceros, y esto a la vez, muestra que el acero AISI/SA E 1020 el de menor resistencia al
desgaste.
Los resultados muestran un cambio en la superficie desgastada y en la cantidad de
pérdida de material, siendo proporcional a las variables de carga, velocidad y distancia
deslizada. Esto llevo a tener niveles leves y severos en el desgaste, el cual se encontró
una relación con los trabajos de Archard & Ashby , que definieron la severidad del
desgaste por el mecanismo que llevo a cabo la perdida de material.
Los factores que identif ico Archard, muestran ser las variables para observar el
comportamiento del desgaste, sin embargo hay que tener en cuenta otras variables que pueden modif icar la perdida de volumen como la fricción entre las superficies en contacto
y la deformación ocurrida en el proceso de desgaste. Esto se pudo observar, cuando se
aplico el modelo computacional de Hegadekatte, que propuso una deformación elástica,
y los resultados de caracterización superficial muestra lo contrario, teniendo una
deformación plástica, consecuentemente el modelo no es válido para la aplicación que
se le dio.
45
6 SUGERENCIAS
• Evaluar la resistencia al desgaste por medio de otros equipos tribologicos.
• Comparar el comportamiento del desgaste con otros modelos matemáticos.
• Se sugiere emplear los ensayos de desgaste en problemas existentes de la ingenier ía.
• Evaluar la resistencia al desgaste de nuevos materiales.
46
7 REFERENCIA BIBLIOGRAFICA
Archard, J. (1953). Contact and Rubbing of f lat surfaces. journal of applied physics .
Ashby, M. (1988). the w ear of sliding conditions on theory friction of metals. Wear .
Ashby, M. (1986). Wear - rate transitions and their relationship to w ear mechanism. wear .
Ashby, M., & Lim, S. (1990). Wear - mechanism maps. Wear .
ASM. (1992). friction, lubrication and wear technology (Vol. 18). United States of America.
ASTM. (2005). Standard guide for preparation of metallographic specimens. Norma tecnica .
ASTM. (2004). Standard test method for measuring abrasion using the dry sand/rubber wheel apparatus. Norma tecnica .
ASTM. (2005). Standard test method for w ear testing w ith a pin on disk apparatus. Norma tecnica .
ASTM. (2005). Standard test methods for chemical analysis of carbon steel, silicon electrical steel and iron. Norma tecnica .
ASTM. (2005). Standard test methods for micro hardness. Norma Tecnica .
Bayer, R. G. (2004.). Mechanical wear prediction and prevention.
Bayer, R. G. (2004). Engineering design for wear.
F., G. J., & J., S. (1995). Interactions between adhesion and friction-I. Wear.
Grigoroudis, K. (1997). Modelling low stress wea. Wear .
Handbook, A. (1995). Friction, Lubrication and Wear Technology. En A. I. Handbook.
Hegadekatte, V., & Kurzenha, N. h. (2008). A predictive modeling scheme for w ear in tribometers . Tribology .
Holm, R. (1946). Electrical Contacts. journal of aplied physics .
Nilsson, R., Svahnb, F., & Olofsson, U. (2006). Relating contact conditions to abrasive wear. Wear .
Pirso, J. (2003). Friction and dry sliding wear.
Rabinow icz. (1965). friction and wear of materials. john w iley .
Rabinow icz, E. (1951). Journal of applied physics .
47
Sarkar, A. (1990). Desgaste de Metales. Mexico.
Seireg. (1998). Friction and lubrication in mechanical design.
Sinisa, D., & Jhonson, K. (1999). Adhseive contact of elastic-plastic spheres. Journal of the mechanics and physics of solids .
Toro, A., & Castañeda, R. (s.f.). Digital image processing applied to morphological characterization of ceramic and stainless steel pow ders.
Yoon, E. s., & Kong, H. (1997). Evaluation of frictional characteristics for a pin-on-disk apparatus. Wear .
48
8 ANEXO
8.1.1.1 DISEÑO DEL EQUIPO DISCO-PIN
El diseño del equipo disco-pin se realizo teniendo en cuenta los requerimientos de la
norma y el comportamiento en el proceso de desgaste. A partir de esto se enumero los
parámetros de funcionamiento del equipo para seleccionar el tipo de mecanismo más
adecuado. Como se muestra a continuación.
Figura 28. Equipo disco- pi n. (autor)
8.1.1.1.1 RESUMEN DEL MÉTODO DE ENSAYO,
Para el ensayo de desgaste según la norma G99, se necesitan dos probetas, la primera
es el pin con punta radial, colocada perpendicularmente sobre un disco plano. El cual es
aplicado una carga sobre el pin, dada por pesos sujetados a una palanca o brazo
pivoteado.
El reporte de los resultados del ensayo de desgaste, es un informe de la pérdida de masa,
dada en gramos. Las probetas usadas en el ensayo pueden ser de materiales distintos.
49
La medición exacta de la masa, antes y después del ensayo, determina la cantidad de
pérdida de material. Para realizar la medición, debe ser empleada un equipo con una
sensibilidad de 0.1 mg. Los resultados del desgate se obtienen frecuentemente,
realizando un ensayo en que se selecciona la carga, la velocidad y distancia de
deslizamiento.
8.1.1.1.2 IMPORTANCIA DE LA MAQUINA
El porcentaje de desgaste presente en cualquier sistema, depende en general el numero
de variables del sistema tales como la carga aplicada, la velocidad y distancia de
deslizamiento, el medio ambiente y las propiedades de los mater iales.
La razón para el desarrollo a las pruebas de desgaste, puede ser aplicado a condiciones
especif icas, generalmente para incrementar la vida, reducir costos y mantenimiento, para
llevarlo a un desarrollo confiable, transportando a simplif icar la selección del mejor
mater ial.
El test representa una respuesta de las condiciones que se encuentra los dos materiales
en contacto. Teniendo como objetivo principal es reproducir el mecanismo dominante de
desgaste con la apariencia de la superficie desgastada de análisis idéntica a la de la
superficie desgastada de los componentes reales.
8.1.1.1.3 PROCESO DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN SECO
En el deslizamiento en seco predomina el mecanismo del desgaste adhesivo, pero puede
intervenir el material particulado proveniente del ambiente o de la formación de escombro
de cualquier de los dos mater iales en contacto. El proceso del desgaste acumulado como
una función del tiempo o de distancia es una cuantif icación de las pérdidas de masa que
sufre el elemento de intervalo a medida que transcurre el tiempo de operación y estas
pérdidas están relacionadas con los mecanismos de desgaste. Para el desgaste en seco
se han observado tres perdidas de desgaste acumulativo (ver f igura 28) (Pirso, 2003).
50
Figura 29. Gr afica de desgaste Vs tiempo o distancia deslizada
Per iodo I:
Acumulamiento de superficies llamado “running-in” caracterizado por incrementos no
lineales de pérdida de masa (acumulamiento de rugosidades). En este periodo se
presenta un desgaste severo adhesivo por endurecimiento de las superficies debido a
micro soldadura local asociada al ”galling”.
Per iodo II:
Estado estacionario donde la razón de desgaste permanece constante.
Per iodo III:
Desgaste acelerado, donde se llega a la falta de mater ial, cantidad de volumen
desgastado como una curva aproximada de una función exponencial del tiempo.
En el caso del deslizamiento no debe esperarse un movimiento uniforme que presente
una fricción uniforme continua y constante. A medida que las asperezas se adhieren
durante el encuentro, las partes móviles se adher irán, lo que provocara un alto valor de la
fricción.
Si se mantiene la fuerza externa y se rompen la uniones, el sistema se deslizara y la
fricción tendera a desaparecer.
A partir de varias investigaciones (Sarkar, 1990) se podría decir que hay tres tipos de
deslizamiento:
I II III
Pérd
ida
por d
esga
ste
Tiempo o distancia
51
1. Cuando un material duro, de alto punto de fusión se desliza sobre un material
blando de bajo punto de fusión, el movimiento es con sacudidas y el deslizamiento
repentino no es tan obvio. El material duro no se ve afectado, pero se marca una
huella en el material más suave. La resistencia friccional se debe a los surcos que
forman el material blando.
2. Cuando un metal de bajo punto de fusión se desliza sobre una superficie dura, el
movimiento es con sacudidas y el grado de deslizamiento es más rápido. La
superficie no se raya y el metal blando se deposita sobre ella. Se sugiere que la
elevada presión de contacto y la energía en forma de calor durante el
deslizamiento suelda el metal de bajo punto de fusión sobre la superficie mas
dura. A medida que las superficies empiezan a adherirse, los puntos soldados se
estiran y se adelgazan hasta el siguiente deslizamiento, en el cual se presenta
nuevamente la soldadura.
3. Metales similares , las fuerzas de fricción son mucho más altas que para las ultimas combinaciones y se observan f luctuaciones rápidas sin que ocurra
deslizamiento rápido, en la superficie plana una gran ranura y se produce de
nuevo una soladura y fusión incipientes, lo que daña ambas superficies.
Ya entendido la metodología del ensayo ASTM G99 y el proceso de desgaste se llevo a
cabo a enumerar las variables de entrada que están dentro del proceso de desgate:
a) Carga sobre el pin.
b) Velocidad de deslizamiento.
c) Distancia de deslizamiento.
d) Ambiente en seco y lubricado.
e) Mater iales para desgastar
Las variables de salida en esta prueba son
a) Resistencia al desgaste.
b) Medida de la pérdida de masa.
c) Superficie desgastada.
52
Las variables que se pueden controlar con el equipo son la carga aplicada, la velocidad
de deslizamiento, la distancia de deslizamiento y el ambiente, donde se pueden
denominar como parámetros de funcionamiento.
a. La Carga aplicada es la carga que tiene el pin sobre el disco, debe ser constante
durante la prueba, el mecanismo más utilizado en estos equipos es el
aprovechamiento de la gravedad utilizando unas pesas. O también un mecanismo
de fuerza por medio de un tornillo de potencia o con un sistema neumático. La
carga aplicada esta en el rango de 0 – 30 N.
b. La Velocidad de deslizamiento en la prueba de desgaste es la velocidad del disco
en unidades de m/s, esta debe ser contante, la cual podemos obtener de dos
formas:
1. Variando la frecuencia del motor y tener el pin en la misma posición.
2. Variando la posición del pin sobre el radio del disco.
c. La Distancia de deslizamiento, es el recorrido que va tener el pin sobre el disco esto se puede lograr con medida del t iempo o un contador de vueltas.
d. El ambiente al que se va realizar la prueba, es en seco o lubricado.
Pero aun así en el diseño se debe tener en cuenta factores que modif iquen el resultado
del ensayo, las cuales son características para la decisión de las partes de la maquina,
donde la norma muy claramente específ ica sobre el cuidado en la Sujeción de las
probetas y la vibración. Una de sus recomendaciones es que el motor debe montarse de
tal manera que sus vibraciones no afecte la prueba.
A partir de lo dicho anteriormente se presentara a continuación en los siguientes
numerales el diseño de las partes del equipo PIN –ON –DISK.
8.1.1.1.4 SISTEMA DE TRA NSMISIÓN DE POTENCIA.
Según la norma se requiere de un motor de velocidad variable, capaz de mantener una
velocidad constante en un rango de velocidad entre 60 y 600 rpm. Para conocer la
53
potencia del motor requerida para accionar el equipo, se realizaron cálculos a partir de la
máxima carga normal en la prueba de 30 N y asumiendo un coeficiente de fricción de 0,8 ;
la fuerza de fricción es de 24N. Y teniendo en cuenta el torque para el arranque de la
prueba y la velocidad de giro del disco, se calculo una potencia necesaria de 183 Watt, el
cual se selecciono un motor trifásico de 0,5 Hp con una velocidad de 1750rpm.
Atendiendo a la sugerencia de la norma del montaje del motor, se selecciono un sistema
de correas en V que permite minimizar la vibración y permite el no conectar de forma
directa el motor y el disco de prueba. El uso de la reducción, proporciona la disminución
de las revoluciones de salida y un variador de frecuencia ofrece la selección de una
velocidad dentro de un amplio rango. En la selección del sistema de reducción se tuvo en
cuenta la relación a reducir, las características de trabajo, las condiciones del ambiente y
el montaje; para esto se selecciona una correa en V tipo A38, con una reducción de 2,5:1,
con una polea pequeña de 3 pulg.
Dentro del sistema motriz, se encuentran los rodamientos, los cuales se seleccionaron para soportar las cargas al que está sometido el eje y una precisión para el ensayo de
desgaste, se seleccionaron los siguientes rodamientos; Rodamiento de bola de contacto
angular.
Los ejes dentro este sistema fueron calculados con las diferentes cargas que soporta,
donde arrojo un diámetro de eje calculado de 7,6 mm con un factor de seguridad de 2. Se
selecciono un eje de ¾ pulg. (19mm) para poder hacer cambio de poleas en el sistema y
así aprovechar a mayores velocidades.
8.1.1.1.5 SISTEMA S DE SUJECIÓN
• Sujeción del pin. Las probetas a ensayar deben ser sujetadas rígidamente,
garantizando la perpendicular idad y concentricidad. Para esto se decidió construir un
mandril de una sola medida de 9 mm de diámetro, que albergará la longitud de 15
mm de largo y sujetado a presión.
• Sujeción del disco. El sistema de sujeción del disco debe garantizar concentricidad ya
que el movimiento del disco con el pin en contacto debe generar una marca circular y
54
no otra como ocurriría si el disco no se monta concéntrico respecto al eje de giro.
Teniendo en cuenta estas especif icaciones se selecciona un sistema de presión
alrededor del disco, para discos de 125 mm de diámetro y espesor de 12mm.
8.1.1.1.6 APLICACIÓN DE LA CA RGA
Hay muchas formas de aplicar la fuerza sobre el pin, pero la mayor ía de estos equipos
utiliza un brazo pivoteado. Aunque la norma no específ ica el sistema mecánico para
aplicar la carga, el medio que se podr ía utilizar, seria un sistema hidráulico o neumático.
Para esto se hizo el análisis de los requerimientos del sistema mecánico para aplicar la
carga.
El control de las cargas para un sistema hidráulico tendría que ser por medio de un control
eléctrico que al igual a un sistema neumático, donde el brazo pivoteado tendr ía un costo
menos el cual le dar ía una ventaja sobre los otros sistemas; el ensayo de desgaste exige que el pin debe estar siempre en contacto el más apto para esto sería el bazo pivoteado.
El montaje de sistema neumático estaría sujeto a tener un sitio donde siempre haya aire
a presión, el cual el brazo pivoteado no necesita. En costos del montaje de todo el
sistema se puede observar en la siguiente tabla:
Tabla Costos de varios sistemas mecánicos.
Sistema mecánico Costo
Brazo pivoteado 200.000 (aprox)
Neumático 492.000 [ fedco]
Hidráulico 735.000
A partir de lo anteriormente mencionado y del estudio hecho por Yoon (Yoon & Kong,
1997), el brazo pivoteado es la mejor opción por tener mejor resultados en el desgaste a
diferentes frecuencias de vibración, el cual se sigue la recomendación del autor de este
estudio el tener una rigidez el sistema de 9800 N m-1.
55
8.1.1.1.7 ANÁLISIS DE ESFUERZOS DEL BRAZO PIVOTEADO.
Para analizar los esfuerzos y las deformaciones generadas en el brazo pivoteado, se
dispuso de un programa de elementos f initos (ANSYS). En este caso se considero dentro
de los cálculos la fuerza de fricción producida por el pin al deslizarse sobre el disco. En
este análisis se tiene en cuenta la fuerza de fricción, la carga aplicada de 30 N, sujeción
de los dos extremos del brazo; a partir se realizo un enmallado que realiza el programa
(ver f igura 30).
Figura 30. Enmallado del brazo pi voteado.
A partir de estas fuerzas se procede a calcular tanto los esfuerzos de von misses así
como la deflexión del brazo
56
Figura 31. Esfuerzo obteni dos
Los esfuerzos obtenidos por la simulación del programa utilizado de elementos f initos son
de baja magnitud, indicando que las cargas sobre el brazo no causaran una posible falla
en el componente. De estos resultados se observa que el punto de mayor esfuerzo se
encuentra localizada en la zona de sujeción del pin (ver f igura 31) en donde el esfuerzo
alcanza los 6,83 MPa. Esfuerzo mucho menor al esfuerzo de f luencia del acero.
Así como los esfuerzos son relativamente bajos, la deflexión de la pieza no presenta
mayores cambios dimensionales, la zona más afectada está ubicada en el extremo de
sujeción del pin, en el punto donde se aplica la fuerza de fricción, donde la deflexión
máxima es de 9,42 x 10 -6 m.
8.2 PLANOS
1. Conjunto total del equipo.
2. Conjunto total del equipo.
3. Conjunto sistema pin.
4. Conjunto sistema disco.
