Desgaste abrasivo de materiales

8/16/2019 Desgaste abrasivo de materiales

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Universidad de Santiago de Chile

Facultad de Ingeniería

Departamento de Metalurgia

Experimental Nº1

“Desgaste abrasivo de materiales”

Nombre MaximilianoAlvarez

NicoleMiranda

CristianPenroz

Autoevaluación

Maximiliano

Alvarez

- D D D

Nicole Miranda D - D D

Cristian Penroz D D - D

Profesor: Santiago Riveros

Ayudante: Alexis Romo

Asignatura: Aceros

Alumnos: Maximiliano Alvarez

Nicole Miranda

Cristian Penroz

Fecha de entrega: 9 de Mayo de 2016


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INDICE

1. OBJETIVOS .................................................................................................................. 41.1. Objetivos Generales ................................................................................................ 4

2. INTRODUCCIÓN TEÓRICA ..................................................................................... 52.1. Desgaste abrasivo ................................................................................................... 5

Factores que influyen en el desgaste .................................................................... 52.2. 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 .......................................................................................................... 227. BIBLIOGRAFIA ......................................................................................................... 23


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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 laclasificación 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 seríamuy 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.

ProcedimientoFuerza sobre la probeta

(N)

Revoluciones del

disco (rpm)

Abrasión lineal

(m)

A 130 6000 4309

B 130 2000 1436

C 130 100 71,8

D 45 6000 4309

E 130 1000 718

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.


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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.


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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


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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.

ProbetasMasa inicial

(g)Masa final

(g)Masa perdida

(g)Volumen perdido

(mm3)

M3 157,092 156,564 0,528 67,261

M5 158,350 157,746 0,604 76,943

ErgotemHardfacing 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

ErgotemHardfacing >5,16 0,00 2,73 53,4 0,032 37,19 0,17 0,037


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4.2. Gráficos

Figura 4.1. Gráfico Dureza.

Figura 4.2. Gráfico Masas.

42

44

46

48

50

52

54

56

M3 M5 Ergotem Hardface

D u r e z a ( R c )

Probetas

Dureza (Rc)

0

50

100

150

200

250

M3 M5 Ergotem

Hardface

M a s a ( g )

Probetas

Masas (g)

Masa inicial (g)

Masa final (g)


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Figura 4.3. Gráfico Masas perdidas.

Figura 4.4. Gráfico Volúmenes perdidos.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

M3 M5 Ergotem Hardface

M a s a ( g )

Probetas

Masa perdida (g)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

M3 M5 Ergotem

Hardface

V o l u m e n ( m m 3 )

Probetas

Volumen perdido (mm3)


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4.3. Microestructuras

M3 M5

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) decantidad 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.


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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 M5muestran 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 yM5 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 lamicroestructura 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 lamuestra 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 poseeeste 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


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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 ironhandbook. Des Plaines, Ill.: American Foundry Society.

Santiago Riveros. (2004). Aceros Antiabrasivos. Medición del Índice deEndurecimiento Meyer y Predicción del Endurecimiento Adicional en UsoSegún 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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