EFECTO DE LA REDONDEZ DE LA ARENA SOBRE EL...
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EFECTO DE LA REDONDEZ DE LA ARENA SOBRE EL DESGASTE ABRASIVO A 3 CUERPOS SEGÚN LA NORMA ASTM G65. CRISTANCHO SANCHEZ LUDWING DAVID UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS FACULTAD TECNOLOGICA TECNOLOGÍA MECÁNICA BOGOTA DC 2016
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EFECTO DE LA REDONDEZ DE LA ARENA SOBRE EL DESGASTE
ABRASIVO A 3 CUERPOS SEGÚN LA NORMA ASTM G65.
CRISTANCHO SANCHEZ LUDWING DAVID
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS
FACULTAD TECNOLOGICA
TECNOLOGÍA MECÁNICA
BOGOTA DC
2016
EFECTO DE LA REDONDEZ DE LA ARENA SOBRE EL DESGASTE
ABRASIVO A 3 CUERPOS SEGÚN LA NORMA ASTM G65.
Trabajo de grado para optar por el título:
TECNÓLOGO MECÁNICO
CRISTANCHO SANCHEZ LUDWING DAVID
Director de tesis:
JONNY RICARDO DUEÑAS ROJAS
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS
FACULTAD TECNOLOGICA
TECNOLOGÍA MECÁNICA
BOGOTA DC
2016
I
AGRADECIMIENTOS
Al ingeniero Jonny Ricardo Dueñas, director del proyecto de grado por su
colaboración, conocimiento y tiempo para la realización de este trabajo.
Al personal encargado en los laboratorios de ingeniería mecánica y de ingeniería
civil de la Universidad distrital francisco José de caldas facultad tecnológica y al
laboratorio de microscopia electrónica de la universidad de los Andes, los cuales
estuvieron atentos, cordiales y dispuestos a ayudarme en la fase experimental e
investigativa de este trabajo.
A mis padres Clara Sánchez y David Cristancho por ser un gran ejemplo y un pilar
fundamental en mi vida, Agradezco enormemente a Julieth rodríguez, a mis
queridos suegros por haberme abierto las puertas de su casa, su apoyo y cariño
incondicional. Gracias a todos ellos pude mantenerme y culminar una etapa más de
mi vida.
II
RESUMEN
El presente Proyecto busca determinar la influencia de abrasivos locales a los que
está expuesta la maquinaria, para ello es necesario hallar valores de referencia de
tipo nacional donde se utilizará arena SILICE 20/40 y arena extranjera Ottawa 50/70
AFS en ensayos de desgaste abrasivo bajo parámetros de la norma ASTM G65.
En la primera etapa habrá una preparación de muestras, granulometría por
tamizado determinando las características morfológicas de los dos tipos de arenas
definiendo el coeficiente de uniformidad, coeficiente de redondez, porcentaje de
humedad y formas.
En la segunda etapa se validará y calibrará el funcionamiento del equipo según el
procedimiento B de la norma ATSM G65, además se determinarán las variables
como humedad, flujo abrasivo, velocidad del motor, fuerza ejercida sobre las
probetas al igual que las dimensiones de las estás y el número de pruebas
necesarias para el estudio, también se realizarán los ensayos de desgaste abrasivo
con un acero AISI 1020 y un acero antidesgaste.
En la tercera etapa se hará el análisis y comparación de las huellas de desgaste
abrasivo, microscopia óptica y estereoscopia sobre los dos tipos de probetas,
mediante el uso de la herramienta estadística más apropiada, la cual permitirá hallar
las diferencias y la correlación entre los tipos de ensayos, además de los valores de
referencia de desgaste abrasivo para la arena nacional SILICE MALLA 20/40,
finalmente se formulará un factor de corrección para el uso de arena Sandblasting
en ensayos de desgaste abrasivos.
III
INTRODUCCIÓN
El desgaste ha sido un tema de importancia durante los últimos años para la
industria minera y metalúrgica; siendo enfocado en el estudio de sus diferentes
formaciones, destacando el desgaste abrasivo (situación en la que dos superficies
están en contacto con movimiento relativo entre ellas, y generalmente presenta el
paso de un material abrasivo entre las mismas) como una de las consecuencias
más graves de daño y reemplazo de elementos de maquinaria industrial en breves
espacios de tiempo.
Los ensayos de desgaste abrasivo delimitan la influencia de cada uno de los
factores que intervienen durante el proceso, por ejemplo: la fuerza entre superficies,
tiempo de exposición, el movimiento relativo, la cantidad de abrasivo que pasa entre
las superficies y el tipo de partículas utilizadas; todo esto con el propósito de poder
conocer el volumen de material desprendido, y así determinar la resistencia de su
desgaste.
Estableciendo la gran importancia de la influencia de abrasivos locales a los que
está expuesta la maquinaria. Es necesario determinar valores de referencia para
abrasivos de tipo nacional, para ello utilizaremos arena SILICE MALLA 20/40 de
origen nacional y arena de Ottawa AFS 50/70 en ensayos de desgaste abrasivo bajo
la norma ASTM G65; Comparando características morfológicas (tamaño y forma)
de las partículas mediante granulometría por tamizado y estereoscopio. Se
determinará la cantidad de volumen desprendido en las probetas de ensayo y la
correlación entre sus resultados. Con el fin de obtener valores de referencia de
desgaste abrasivo implementando arenas de origen local y su relación respecto al
abrasivo estandarizado de pruebas.
IV
DEFINICIÓN DEL PROBLEMA
La maquinaria de trabajo relacionados con la minería, obras e incluso la extracción
de recursos están expuestos a minerales de origen nativo, es decir, varían según la
zona de servicio provocando que el desgaste abrasivo sea más severo en ciertas
zonas que en otras, y es muy importante la correcta elección de nuestro material a
trabajar ya sea por su extrema resistencia a la abrasión y al impacto, como también
un material tenaz y con baja resistencia mecánica utilizado ligeramente en
endurecimiento superficial, es por ello que surge la necesidad de obtener valores
que puedan ser utilizados como referencia en los procesos industriales nacionales.
Los bancos de ensayo de desgaste abrasivo, utilizan como suministro el material
arena Ottawa AFS 50/70 para la realización de experimentos, que puedan ser
comparados y reproducidos en cualquier otro lugar, debido a que este tipo de arena
es de procedencia extranjera (Ottawa, Illinois (IL)), los resultados de desgaste
abrasivo no constituyen un valor de referencia local, de forma que se plantea utilizar
arena de tipo nacional para determinar la influencia de los abrasivos locales y su
correlación con la arena de ensayos de desgaste abrasivo de la norma ASTM G65,
además de tener en cuenta el factor económico que implica la realización de
pruebas con arena de procedencia extranjera respecto a las de origen nacional.
V
JUSTIFICACIÓN
Las razones que fundamentan este proyecto surgen de las explicaciones sobre los
parámetros del comportamiento de los materiales en uso, bajo la influencia de
factores únicos de cada zona o sitio de interés, y sirven para seleccionar e identificar
propiedades de materiales que han de requerirse en procesos y aplicaciones
industriales. Por ello es importante llevar a cabo ensayos de laboratorio que
permitan determinar la resistencia al desgaste de materiales y su comportamiento,
bajo la influencia de abrasivos de origen nacional como la arena SILICE MALLA
20/40, utilizada comercialmente en procesos de Sandblasting o arenado, debido a
que reduce el costo en el desarrollo de los ensayos.
VI
OBJETIVO GENERAL
Comparar los resultados obtenidos en ensayos de desgaste abrasivo de un
acero antidesgaste y un acero AISI 1020 bajo parámetros de la norma ASTM
G65 con dos tipos de arenas: Ottawa AFS 50/70 extranjera y Sílice Malla
20/40 nacional.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Determinar características morfológicas de dos tipos de arenas, arena de Ottawa AFS 50/70 y arena SÍLICE MALLA 20/40 para Sandblasting de procedencia local.
Definir el diseño del experimento, para determinar el número de probetas que garanticen una confiabilidad estadística de los resultados finales.
Comparar los resultados obtenidos en los ensayos de resistencia al desgaste abrasivo según la norma ASTM G65 utilizando los dos tipos de arena.
Analizar las dos superficies desgastadas, utilizando los dos tipos de arenas, por medio de microscopia electrónica de barrido.
Formular un factor de corrección para el uso de la arena sílice 20/40 para la realización de ensayos según la norma ASTM G65.
Tabla de Contenido
CONTENIDO PAG
1. MARCO TEORICO .........................................................................................................................1
1.1 TRIBOLOGÍA .........................................................................................................................1
1.2 DESGASTE .............................................................................................................................2
1.1.1. DESGASTE ABRASIVO ...................................................................................................3
1.1.2. CLASIFICACIÓN DE DESGASTE ABRASIVO ....................................................................5
1.1.3. MECANISMOS DE DESGASTE ABRASIVO ......................................................................7
1.1.4. MEDIDAS DE DESGASTE ...............................................................................................8
2. NORMA ASTM G65-04 .................................................................................................................9
2.1 PARAMETROS DE DESGASTE ABRASIVO ........................................................................... 11
2.1.1. EQUIPO ...................................................................................................................... 11
3. DESARROLLO DEL PROYECTO. ................................................................................................... 14
3.1 PROPIEDADES DE LAS ARENAS. ......................................................................................... 14
3.1.1. ARENA OTTAWA C778 ............................................................................................... 14
3.1.2. ARENA NACIONAL SILICE MALLA 20/40. ................................................................... 15
3.2 GRANULOMETRÍA. ............................................................................................................ 16
3.2.1 MATERIALES .............................................................................................................. 17
3.2.2 MÉTODO ................................................................................................................... 19
3.3 TAMIZADO. ........................................................................................................................ 20
3.3.1 TABLA Y GRÁFICA GRANULOMETRICA ARENA OTTAWA C778 ................................. 21
3.3.2 CARACTERÍSTICAS MORFOLÓGICAS ARENA OTTAWA .............................................. 23
3.3.3 TABLA Y GRÁFICA GRANULOMÉTRICA ARENA NACIONAL 20/40 ............................. 25
3.3.4 CARACTERÍSTICAS MORFOLÓGICAS ARENA NACIONAL ........................................... 27
3.4 RESULTADOS GRANULOMÉTRICOS DE LOS DOS TIPOS DE ARENAS. ........................ 28
3.4.1 ANÁLISIS DE LAS ARENAS MICROGRÁFICAMENTE .................................................... 30
3.5 DESGASTE ABRASIVO NORMA ASTM G65-04. .................................................................. 31
3.5.1 TIPO DE ACEROS EN LA PRUEBA ............................................................................... 31
3.6 POBLACION Y MUESTRAS. ................................................................................................. 33
3.6.1 POBLACIÓN ............................................................................................................... 33
3.6.2 MUESTRAS................................................................................................................. 33
3.7 DISEÑO DE PRUEBA ........................................................................................................... 34
3.7.1 PARAMETROS DE PRUEBA. ....................................................................................... 36
3.8 CALIBRACION DE VARIABLES............................................................................................. 37
3.8.1 DISCO CON RECUBRIMIENTO DE CAUCHO ............................................................... 37
3.8.2 COMPENSACIÓN DE LA DISMINUCIÓN DE DIÁMETRO DEL CAUCHO. ...................... 38
3.8.3 MEDICIÓN DE MASAS ............................................................................................... 40
3.8.4 CONTENIDO DE HUMEDAD DE LAS ARENAS ............................................................. 40
4. RESULTADOS DE ENSAYOS DE DESGASTE ABRASIVO. .............................................................. 42
4.1 TABLA DE RESULTADOS DE LOS TIPOS DE ARENA. ........................................................... 42
4.2 GRAFICAS COMPARATIVAS. .............................................................................................. 43
4.2.1 LOS DOS TIPOS DE ARENA FRENTE A CADA ACERO. ..................................................... 43
4.2.2 LOS DOS ACEROS RESPECTO A LA ARENA. ................................................................ 45
4.3 CARACTERIZACIÓN MEDIANTE MICROSCOPÍA ELECTRONICA DE BARRIDO. .................... 50
5. ANALISIS DE LAS SUPERFICIES DESGASTADAS CON LOS DOS TIPOS DE ARENA. ...................... 51
5.1 MICROSCOPIA DEL ACERO 1020 CON LOS DOS TIPOS DE ARENA A 400X. ....................... 51
5.2 MICROSCOPIA DEL ACERO 1020 CON LOS DOS TIPOS DE ARENA A 800X. ...................... 52
5.3 MICROSCOPIA DEL ACERO 1020 CON ARENA NACIONAL 20/40 Y ARENA OTTAWA C778 A
2000X. 53
5.4 MICROSCOPIA DEL ACERO ANTIDESGASTE AR 450 CON ARENA NACIONAL 20/40 Y ARENA
OTTAWA C778 A 400X. ................................................................................................................. 54
5.5 MICROSCOPIA DEL ACERO AR 450 CON ARENA NACIONAL 20/40 Y ARENA OTTAWA C778
A 800X. .......................................................................................................................................... 55
5.6 MICROSCOPIA DEL ACERO AR 450 CON ARENA NACIONAL 20/40 Y ARENA OTTAWA C778
A 2000X. ........................................................................................................................................ 55
5.7 MICROSCOPIA DE PERFIL DEL ACERO AISI 1020 A 30X Y A UN AUNMENTO DE 70 X. ...... 57
5.8 MICROSCOPIA DE PERFIL DEL ACERO ANTIDESGASTE AR 450 A 30X Y 70X. .................... 58
5.9 ARENAS, ANTES Y DESPUES DE LA PRUEBA DE DESGASTE ABRASIVO G65-04 ................. 60
6. CONCLUSIONES. ........................................................................................................................ 61
7. BIBLIOGRAFÍA. ........................................................................................................................... 63
LISTA DE FIGURAS.
PAG
Figura 1 Tribosistema elemental y aplicado. ................................................................................2
Figura 2. Desgaste de dos cuerpos (a). Desgaste de tres cuerpos. (b) ...................................4
Figura 3.Mecanismo de desgaste abrasivo ..................................................................................5
Figura 4.Desgaste abrasivo a dos cuerpos (a). abrasión a dos cuerpos (b). ..........................6
Figura 5.: Desgaste abrasivo a tres cuerpos (a). superficie plana. (b) .....................................7
Figura 6. Mecanismos de desgaste abrasivo ...............................................................................8
Figura 7.Esquema general maquina por la ASTM G65. .......................................................... 10
Figura 8. Sistema de Potencia ..................................................................................................... 11
Figura 9. Rueda de desgaste ....................................................................................................... 12
Figura 10.Mecanismo de fuerza sobre la probeta .................................................................... 13
Figura 11.fotografía a 20x Arena Ottawa ................................................................................... 14
Figura 12.fotografía a 20x Arena local 20/40 ............................................................................. 15
Figura 13. Preparación de la granulométrica. ............................................................................ 16
Figura 14. Tamices para granulometría. .................................................................................... 18
Figura 15. procedimiento de granulometría. .............................................................................. 18
Figura 16. Grafica granulométrica. .............................................................................................. 22
Figura 17. Curva granulométrica para la arena local ............................................................... 26
Figura 18. Fotografía Arena Ottawa a 20x (a). fotografia Arena Nacional a 20x (b). ......... 30
Figura 19.. Fotografía Arena Ottawa a 80x (a). fotografia Arena Nacional a 80x (b). ...... 30
Figura 20. Probetas utilizadas en el desgaste abrasivo .......................................................... 33
Figura 21. Medicion para compensacion de diámetro(a). Medicion dureza Shore A(b) ..... 38
Figura 22. Balanza de medición Scientech. ............................................................................... 40
Figura 23. Microscopio de barrido electrónico. .......................................................................... 50
Figura 24.Acero AISI 1020 Arena local Sílice 20/40, (a) Arena Ottawa C778. (b) .............. 51
Figura 25.Acero AISI 1020 Arena local Sílice 20/40, (a) ......................................................... 52
Figura 26.. Acero AISI 1020 Arena local Sílice 20/40, (a) ....................................................... 53
Figura 27. Acero AISI 1020 Arena local Sílice 20/40, (a) Arena Ottawa C778. (b) ............. 54
Figura 28. Acero AISI 1020 Arena local Sílice 20/40, (a) 1020 Arena Ottawa C778. (b) ... 55
Figura 29. Acero AISI 1020 Arena local Sílice 20/40, (a) 1020 Arena Ottawa C778. (b) ... 55
Figura 30. Huella de desgaste abrasivo de vista de perfil por arena local, (a). Huella de
degaste abrasivo de perfil por arena internacional Ottawa a 30x, (b) ................................... 57
Figura 31. Huella de desgaste abrasivo de vista de perfil por arena local, (a). Huella de
degaste abrasivo de perfil por arena internacional Ottawa a 70x, (b) ................................... 57
Figura 32.Huella de desgaste abrasivo de vista de perfil por arena local, (a). Huella de
degaste abrasivo de perfil por arena internacional Ottawa a 30x, (b) ................................... 58
Figura 33.Huella de desgaste abrasivo de vista de perfil por arena local, (a). Huella de
degaste abrasivo de perfil por arena internacional Ottawa a 70x, (b) ................................... 58
Figura 34. fotografía a 20x de la arena Nacional sílice malla 20/40 antes de usar (a). Arena
Nacional sílice malla 20/40 usada, después de la prueba de desgaste abrasivo (b) ....... 60
Figura 35.. fotografía a 20x de la arena Ottawa C778 antes de usar (a). Arena Ottawa C778
usada, después de la prueba de desgaste abrasivo (b) ........................................................ 60
LISTA DE TABLAS
PAG
Tabla 1. Composición Química de la Arena Ottawa. ................................................................ 14
Tabla 2. Propiedades Físicas Arena 20/40. ............................................................................... 15
Tabla 3.Propiedades Químicas Arena Local 20/40 .................................................................. 16
Tabla 4. Datos obtenidos de la granulometría. .......................................................................... 21
Tabla 5.Diametros efectivos. ........................................................................................................ 23
Tabla 6. Datos obtenidos de la granulometría. .......................................................................... 25
Tabla 7.Diametros efectivos. ........................................................................................................ 26
Tabla 8: Comparación de Arenas. ............................................................................................... 29
Tabla 9. Propiedades Químicas del acero 1020 ....................................................................... 32
Tabla 10. Composición Química acero antidesgaste ............................................................... 32
Tabla 11. Mediciones del recubrimiento de caucho. ................................................................ 37
Tabla 12. Número de ciclos y tiempo estimado para la prueba .............................................. 39
Tabla 13. Contenido de humedad de la arena Ottawa C778 .................................................. 41
Tabla 14. contenido de humedad de la arena Local 20/40 ..................................................... 41
Tabla 15. Resultados de desgaste abrasivo G65-04 con arena Nacional Sílice 20/40. ..... 42
Tabla 16. Resultados de desgaste abrasivo con arena Ottawa C778. .................................. 43
1
1. MARCO TEÓRICO
1.1 TRIBOLOGÍA
La palabra Tribología se deriva del término griego tribos, el cual se entiende como
“frotamiento o rozamiento”, así que la interpretación de la palabra puede ser, “la
ciencia del rozamiento. [1] (Días del Castillo, 2007)
La tribología es la ciencia y tecnología relativa a la interacción de superficies en
movimiento relativo, incluyendo fricción, lubricación, desgaste y erosión.
La tribología toma en cuenta aspectos como: el diseño, los materiales de las
superficies en contacto, el sistema de aplicación del lubricante, el medio circundante
y las condiciones de operación. Impacta prácticamente en todas las piezas en
movimiento como: rodamientos, chumaceras, sellos, anillos de pistones,
embragues, frenos, engranes y levas. La tribología ayuda a resolver problemas en
maquinaria, equipos y procesos industriales tales como: motores eléctricos y de
combustión (componentes y funcionamiento), turbinas, compresores, extrusión,
rolado, fundición, forja, procesos de corte (herramientas y fluidos), elementos de
almacenamiento magnético y hasta prótesis articulares (cuerpo humano). [1] (Días
del Castillo, 2007)
La fricción y el desgaste no son propiedades intrínsecas de los materiales, pero son
características de un tribosistema. El ejemplo básico y aplicado de tribosistema se
ilustra en la Figura 1 se puede apreciar un tribosistema y un sin fin corona con sus
diferentes componentes.
2
Figura 1 Tribosistema elemental y aplicado.
Fuente: ZUM, K. Microstructure and wear of materials. Amsterdam: Elsevier Science, 1987.
Según la Norma DIN50320, [2] “el desgaste está definido como la pérdida
progresiva de material de la superficie de un cuerpo sólido debido a interacción
mecánica, contacto o movimiento relativo contra otro cuerpo sólido, líquido o
gaseoso”.
1.2 DESGASTE
El desgaste se define como el daño que sufre un cuerpo sólido debido a un
movimiento relativo entre la superficie y los cuerpos sólidos, líquidos o gaseosos
con los cuales se encuentre en contacto, el daño que se genera en el elemento se
puede presentar de varias formas, las cuales se mencionan a continuación:
Pérdida progresiva de material en la superficie del cuerpo.
Desplazamiento de material sin pérdida de masa (como el cambio de
geometría que puede experimentar un cuerpo al deformarse plásticamente).
3
El daño que sufre una superficie, en donde no hay ni perdida de material ni
cambios dimensionales, en esta forma de desgaste se encuentra la
formación y nucleación de grietas en la superficie. [3] (Rodríguez, 2007).
1.1.1. DESGASTE ABRASIVO
La Norma ASTM G40-92 [4], define el desgaste abrasivo como la pérdida de masa
resultante de la interacción entre partículas o asperezas duras que son forzadas
contra una superficie y se mueven a lo largo de ella. La diferencia entre desgaste
abrasivo y desgaste por deslizamiento es el grado de desgaste entre los cuerpos
involucrados (mayor en el desgaste abrasivo), ya sea por la naturaleza, tipo de
material, composición química, o por la configuración geométrica.
Como se muestra en la figura 2, existen básicamente de los tipos de desgaste
abrasivo, estos son: desgaste abrasivo a dos cuerpos o a tres cuerpos. En abrasión
de los cuerpos, el desgaste es causado por rugosidades duras pertenecientes a una
de las superficies en contacto, mientras que la abrasión a tres cuerpos, el desgaste
es provocado por partículas duras sueltas entre las superficies que se encuentran
en movimiento relativo.
Como ejemplo de desgaste abrasivo a dos cuerpos, se tiene un taladro penetrando
una roca, mientras que a tres cuerpos se puede citar el desgaste sufrido por las
mandíbulas de una trituradora al quebrar la roca, o por la presencia de partículas
contaminantes en un aceite que sirve para lubricar de las superficies en contacto
deslizante.
4
Figura 2. Desgaste de dos cuerpos (a). Desgaste de tres cuerpos. (b)
Fuente: GONZALEZ H., Estudio de la influencia de las propiedades físicas y mecánicas en el comportamiento tribológico, 2008.
El desgaste abrasivo en la industria se clasifica en tres categorías de acuerdo al
esfuerzo de trabajo al que son sometidas las superficies en contacto. La primera se
conoce como abrasión de bajo esfuerzo, donde las partículas básicamente se
deslizan sobre una superficie. Por último, la abrasión severa, se considera dentro
del grupo de alto esfuerzo, en la cual se puede observar a simple vista las ranuras
o surcos, así como desplazamiento del material que se produce por la intensidad
del proceso. [5] (López, E. J. (2004).
La fractura, fatiga y fusión son los mecanismos que se presentan durante la abrasión
y explican cómo es removido el material de la superficie. En la figura 3, se muestran
los mecanismos que son posibles cuando una punta abrasiva atraviesa una
superficie.
5
Figura 3.Mecanismo de desgaste abrasivo
Fuente: Bayer, Raymond
1.1.2. CLASIFICACIÓN DE DESGASTE ABRASIVO
Abrasión a dos cuerpos:
El desgaste abrasivo de dos cuerpos se produce cuando las asperezas
de una superficie dura, presionan sobre otra más suave; al estar en
movimiento relativo se genera el daño en ésta última, ya sea por
deformación o por desprendimiento de material. Se impactan sobre una
superficie sólida, generando un desprendimiento de material, donde los
ángulos de incidencia entre 15° a 30°, muestran una mayor tasa de
desgaste para materiales dúctiles. El daño en la superficie del material
es generado por el rayado o el desprendimiento del material, lo cual se
observa en la figura 4. De cualquiera de estas formas, se considera que
la superficie no es la misma, razón que obliga a determinar el cambio de
forma y la pérdida de volumen para poder tener una medición del
desgaste. [5] (López, 2004).
6
Figura 4.Desgaste abrasivo a dos cuerpos (a). Superficie por abrasión a dos cuerpos (b).
Fuente: Bayer, Raymond.
Abrasión a tres cuerpos:
Las partículas duras se encuentran atrapadas entre dos superficies de
modo que la fuerza aplicada se transmite a través de las partículas
abrasivas. Como se muestra en la figura 5, la abrasión a 3 cuerpos se
distingue porque las partículas abrasivas están en libre movimiento
respecto de las superficies interactuantes; cabe anotar que el caso de
abrasión a tres cuerpos es el más representativo en la industria y por esa
razón se estudia más que la abrasión a dos cuerpos. Las partículas
abrasivas que están fijas causan hasta 10 veces más desgaste que las
partículas libres; esto para un material abrasivo y una presión ejercida
idénticas. [5] (López, 2004).
7
Figura 5.: Desgaste abrasivo a tres cuerpos (a). Abrasivos sobre una superficie plana. (b), (c)
Fuente: Bayer, Raymond
1.1.3. MECANISMOS DE DESGASTE ABRASIVO
Los mecanismos de desgaste explican como el material se remueve sobre la
superficie. Como se ilustra en la figura 6. Los más importantes se encuentran entre:
Micro arado: No hay remoción de material, la partícula deforma
plásticamente al material dejando surcos sobre la superficie,
generalmente ocurre bajo cargas ligeras.
Micro fatiga: Ocurre cuando las partículas pasan varias veces sobre la
superficie dejando surcos a su paso sin remoción de material (cuando el
micro arado se presenta repetidamente).
Micro corte: Es el mecanismo de desgaste más severo de todos, el
abrasivo remueve material cuando la profundidad de la partícula es
relativamente alta.
Micro agrietamiento: Se presenta en materiales frágiles cuando las
fuerzas aplicadas por las partículas sobrepasan la tenacidad a la fractura
del material, este mecanismo de desgaste aparece cuando hay
concentradores de tensión en la superficie. [3] (Rodríguez, 2007).
8
Figura 6. Mecanismos de desgaste abrasivo
Fuente: Rock Excavation Handbook, Abrasividad de la roca.
1.1.4. MEDIDAS DE DESGASTE
La forma más común de daño superficial es la pérdida o desplazamiento del
material, por lo tanto, el volumen puede ser usado como medida de desgaste.
Para propósitos científicos el volumen es frecuentemente la medida para
cuantificar este proceso, aunque en algunos casos solo se utiliza la pérdida de
masa por su facilidad de medición. [3] (Rodríguez, 2007).
En la norma G65-04 [5] numeral 10.1 En donde los resultados de la prueba de
abrasión deben ser reportados como perdida de volumen en milímetros cúbicos.
Si bien los resultados de pérdida de masa pueden utilizarle internamente en los
laboratorios de ensayos para comparar materiales de densidades equivalentes,
convertir la pérdida de masa a la perdida de volumen, como se muestra en la
ecuación 1.
9
Perdida de volumen(mm3) =Masa Perdida (gr)
Densidad (g
cm3)
(Ec.1)
2. NORMA ASTM G65-04
Una norma ASTM, es un documento que ha sido desarrollado y establecido dentro
de los principios de consenso de la organización internacional, y que cumple los
requisitos de los procedimientos y regulaciones de ASTM. Las normas elaboradas
por consenso se elaboran con la participación de todas las partes que tienen
intereses en el desarrollo o uso de las normas. [7] (Pérez, D. 2014)
La norma ASTM G65-04: Método Estándar de Prueba para Medir Abrasión que usa
un equipo de Rueda de Arena/Caucho Seco, esta norma cubre procedimientos de
laboratorio para determinar la resistencia de materiales metálicos a la abrasión que
se raya mediante la prueba de rueda de arena/caucho seco, ver figura 7.
El objetivo de este método de prueba es producir los datos que van a materiales de
fila de repetitividad en su resistencia a la abrasión que raya bajo un juego
especificado de condiciones. Los resultados de la prueba de Abrasión son relatados
como la pérdida de volumen en milímetros cúbicos para el procedimiento particular
de prueba especificado.
Los materiales de resistencia de abrasión más alta tendrán una pérdida de volumen
inferior. Para lograr la uniformidad entre laboratorios, esto es la intención de este
método de prueba de requerir que la pérdida de volumen debido a la abrasión para
ser relatada sólo en el sistema métrico como milímetros cúbicos. 1 mm3 = 6.102 ×
10-5 in3. Este método de prueba cubre cinco procedimientos recomendados que
10
son apropiados por los grados específicos de resistencia de llevada o grosor del
material de prueba.
Este estándar no pretende dirigir los lineamientos de seguridad de equipos al ser
empleados. Son responsabilidad del usuario de este estándar establecer la
seguridad apropiada y prácticas de salud y determinar la aplicabilidad de
limitaciones reguladoras antes del empleo. [7] (Pérez, D. 2014).
Figura 7.Esquema general maquina por la ASTM G65.
Fuente: Wilder Gutiérrez, Desgaste abrasivo de recubrimientos producidos por proyección térmica para aplicaciones navales.
11
2.1 PARAMETROS DE DESGASTE ABRASIVO
2.1.1. EQUIPO
Es de vital importancia el funcionamiento óptimo de la máquina, la verificación de
los estándares y el correcto funcionamiento del mecanismo y sus elementos
definidos por la norma ASTM G65, la cual establece criterios específicos de
importancia crítica para poder garantizar el adecuado control de las variables
involucradas en el ensayo.
Los elementos y detalles que componen la maquina son:
a) Características Motor
En la figura 8 se observa un sistema de potencia que garantiza entrega
constante de torque y velocidad durante el ensayo, es un motoreductor
trifásico, tipo sinfín corona con una potencia de 1 HP, velocidad
angular 175 Rpm de salida nominal y un torque de 20.35 N.
Figura 8. Sistema de Potencia
Fuente: Fotografía del Autor
12
b) Dureza y diámetro
El recubrimiento del caucho según la norma técnica ASTM G 65 debe
encontrarse a 60 shore A con una tolerancia de ±2. Esta dureza
específica es de gran importancia ya que el recubrimiento de caucho
tiene la función de forzar la arena contra el metal de tal modo que las
partículas no se desintegren ni se destrocen. Ver Figura 9
Figura 9. Rueda de desgaste
Fuente: fotografía del Autor.
c) El flujo de arena
Es a través de la boquilla debe tener una tasa de flujo de arena de 300
a 400 g / min (0,66 a 0,88 libras / min). Es el flujo apropiado
racionalizado y la forma estrecha de la cortina de arena a medida que
sale de la boquilla de arena. Un flujo turbulento de la arena tenderá a
producir resultados de la prueba de baja e inconsistente. Se pretende
que la arena fluya de una manera simplificada y que pase entre la
muestra y la rueda de goma.
13
d) Fuerza sobre la probeta
El sistema de aplicación de carga es tal vez el más importante en la
máquina de desgaste abrasivo puesto que de su correcto
funcionamiento depende la constancia de la fuerza aplicada a través
del ensayo y la uniformidad de la huella de desgaste obtenida, factores
que derivan en un procedimiento bajo control, repetible, trazable y
cuantificable. El sistema básico está compuesto por una palanca de
aplicación de fuerza (Figura 10) cuyas dimensiones básicas están
estipuladas por el numeral 6.1 de la norma, junto con un juego de
pesas que permitan reproducir las 2 condiciones de carga requeridas
por los distintos procedimientos. [8] (Cruz y González, 2012).
Figura 10.Mecanismo de fuerza sobre la probeta
Fuente: Fotografía del Autor
14
3. DESARROLLO DEL PROYECTO.
3.1 PROPIEDADES DE LAS ARENAS.
3.1.1. ARENA OTTAWA C778
La arena extrajera Ottawa es distribuida por la planta de Ottawa Illinois de U.S. Sílice
Company. Es una arena normalizada de acuerdo con lo dispuesto en la norma
ASTM C778; es utilizada en el estudio de comportamiento de materiales granulares.
Este tipo de arena posee partículas redondeadas y sub -redondeadas de color gris
compuestas por mineral de cuarzo y una Dureza de 7 Mohs. Ver figura 11.
Figura 11.fotografía a 20x Arena Ottawa
Fuente: Autor, Microscopio Zeiss Axio
Su composición Química es:
Tabla 1. Composición Química de la Arena Ottawa.
Elemento % Elemento %
SiO2 99.7 MgO <0.01
Fe2O3 0.02 Na2O <0.01
Al2O3 0.06 K2O <0.01
TiO2 0.012 CaO <0.01
Fuente: U.S. Silica Company.
15
3.1.2. ARENA NACIONAL SILICE MALLA 20/40.
Arena colombiana, distribuida por Industria de minerales INDUMIN LTDA
Sogamoso – Boyacá. Con planta Ubicada en el km 13 vía Sogamoso (Puente
Reyes/Gámeza). Lavada, secada y clasificada según granulometría definida, con
condiciones de esfericidad que permite una adecuada porosidad y permeabilidad al
fluido. Este tipo de arena es utilizada para la fabricación de vidrio, Moldes para
fundición, sandblasting, abrasivos y como arena para fracturas hidráulicas, ver
figura 12.
Figura 12.fotografía a 20x Arena local 20/40
Fuente: Autor, Microscopio Zeiss Axio.
PRESENTACION: Arena seca al 100%, de color blanca/beige empacada en sacos de
polipropileno de 25 y 50 Kg.
Tabla 2. Propiedades Físicas Arena 20/40.
PROPIEDADES FÍSICAS
Gravedad Especifica (g/cm³)
2,63
Densidad Aparente (g/cm³)
1,50
(%) Humedad
0,02
Fuente: Catalogo de Indumin Ltda la arena.
16
Tabla 3.Propiedades Químicas Arena Local 20/40
Fuente: Catalogo de Indumin Ltda la arena.
3.2 GRANULOMETRÍA.
Figura 13. Preparación de la granulométrica.
Fuente: Fotografía del Autor.
Se determinan las propiedades granulométricas de los dos tipos de arena, Ottawa
y Nacional conociendo el tamaño del grano y definiendo una forma más precisa para
la caracterización de las arenas. El estudio granulométrico ofrece las proporciones
PROPIEDADES QUIMICAS (%)
SiO2 99,86
Na2O <0,01
K2O 0,01
Al2O3 0,16
TiO2 0,04
Fe2O3 0,09
CaO <0,01
MgO <0,10
PERD. X CALC 0,15
17
dimensionales de los granos de distintos diámetros que cohabitan en el mismo tipo
de arena. Esta técnica es muy útil para determinar la distribución de los diferentes
tamaños de las partículas.
Se utiliza el tamizaje donde consiste en hacer pasar una cierta cantidad muestra de
arena a través de dichas mallas con diferentes diámetros y se determina el
porcentaje de material que se retiene en cada una de los tamices, los resultados de
la prueba se grafican junto con los límites que especifican los porcentajes
aceptables para cada tamaño, a fin de verificar si la distribución de tamaños es
adecuada.
En la norma de la ASTM C 33 se estipulan los requisitos que permiten una relativa
amplitud de variación en la granulometría. Clasificando la muestra utilizando las
normas y definiendo el material (granular, fino, arenas, gravilla)
Es de resaltar que, para una muestra dada, todos los granos que la conforman no
tienen la misma dimensión. Es ahí donde hay la necesidad de definir una curva
granulométrica para la caracterización y así determinar las propiedades de las
arenas.
3.2.1 MATERIALES
La realización de la granulometría se utilizaron tamices de marca (tecnotest) de
mallas cuadradas, figura 14. Donde su longitud nominal es en mm de un lado de la
malla.
Para las arenas se utilizaron los tamices según los parámetros de límites inferiores
y superiores según la norma ASTM C778 con las siguientes dimensiones:
N°16= 1,18 mm; N° 30= 0,60 mm; N°50= 0,30 mm; N°100= 0,15 mm; N°200= 0,074.
18
Figura 14. Tamices para granulometría.
Fuente: Fotografía del Autor.
Se contó con una balanza de precisión, botes para recoger la arena y una brocha
para limpiar muy bien los tamices para que no quedara ningún residuo, como se ve
en la Figura 15.
Figura 15. procedimiento de granulometría.
Fuente: Fotografía del Autor.
19
Se utilizó un Horno calentador de marca QUINCY LAB donde se pudo determinar el
porcentaje de humedad de la arena Ottawa y la nacional, esta práctica se desarrolló
en los laboratorios de tecnología civiles de la facultad tecnológica de la universidad
distrital con el apoyo y colaboración del laboratorista.
3.2.2 MÉTODO
Se colocan tamices verticalmente encajados unos con otros de forma decreciente
de arriba hacia abajo para comenzar el ensayo desde el tamaño de malla más
grande hasta el más fino en la parte inferior.
Pasos a seguir:
Pesar y determinar una cantidad para cada tipo de arena (para nuestro
ensayo manual consistió en 600gr ya que en la norma NTC 77 lo mínimo son
500gr)
Depositar la arena debidamente pesada en la balanza en el primer tamiz y
mediante movimientos suaves y agitaciones vibratorias dejar que esta
descienda por las aberturas de cada tamiz, para esta prueba se determinó el
mismo tiempo para cada arena de 5 minutos.
Recoger la fracción de muestra resultante en cada tamiz limpiando
cuidadosamente cada uno con la brocha para evitar en lo posible perdida,
pesar nuevamente y anotar los valores (puede haber una pérdida de
partículas igual a la que tenía inicialmente, según la norma NTC 77 no puede
perderse más del 1% de la muestra inicial)
Calcular los porcentajes granulométricos teniendo en cuenta el peso de la
arena retenida en cada tamiz y dibujar la curva granulométrica para su
caracterización.
20
Con la curva granulométrica se halla d10, d50, d80 y así calcular el
coeficiente de uniformidad, coeficiente de curvatura.
Es preciso aclarar que no es la única forma de hacer estudios granulométricos,
Existen también ensayos tales como la sedimentometría, la centrifugación,
difracción láser. Pero en este caso se utilizaron los elementos y equipos disponibles
en la universidad Distrital francisco José de caldas.
3.3 TAMIZADO.
Se desarrolló el tamizado manual para los dos diferentes tipos de arena Ottawa
C778 y Nacional sílice 20/40 bajo los parámetros de la norma NTC 77, donde cada
una obtuvo una tabla con los siguientes aspectos:
Masa Retenida (gr) donde es calculada al pasar los 600 gr de arena atreves
de los tamices y recalculando su peso alojados en cada tamiz.
Porcentaje retenido (%) se calcula teniendo en cuenta el total de la muestra
al final del ensayo, donde se divide cada dato por cada tamiz por el total de
la arena y se multiplica por 100.
Porcentaje retenido acumulado (%) comprende la suma de los porcentajes
retenidos en los tamices de arriba hacia abajo.
Porcentaje que pasa (%) es la diferencia entre el total (100%) y el porcentaje
acumulado.
21
3.3.1 TABLA Y GRÁFICA GRANULOMETRICA ARENA OTTAWA
C778
Al realizar la granulometría con 600gr de arena Ottawa C778 se obtuvo la siguiente
tabla 4:
Tabla 4. Datos obtenidos de la granulometría.
Arena Ottawa
Lim. Finura ASTM C778
Tamiz N°
Tamiz mm
Masa Retenida
gr
Porcentaje Retenido
(%)
Porcentaje Ret. Acumu
Porcentaje que pasa
Límite inferior
Límite superior
16 1,18 0,1 0,017 0,017 100 100 100
30 0,6 4,7 0,79 0,80 99,20 95 100
40 0,42 204,3 34,24 35,05 64,95 55 75
50 0,3 176,4 29,57 64,62 35,38 15 30
100 0,15 210,9 35,35 99,97 0,03 0 4
200 0,075 0,2 0,03 100,00 0,00 0 1,5
Total 596,6 100 Fuente: Desarrollada por el Autor
La tabla 4 tiene como finalidad establecer gráficamente la curva granulométrica la
cual debe estar dentro de los limites inferiores y limites superiores establecidos por
la norma ASTM C778 y para tener mayor confiabilidad al hacer la prueba de
desgaste abrasivo ASTM G65-04. Garantizando su optima caracterización en su
tamaño medio, módulo de finura y su clasificación dentro de las arenas.
Se observó la diferencia de masa pesada en un principio que para este caso fueron
600gr y recogida al final del tamizado, debido a pérdidas durante el proceso de
agitación lo cual es normal.
22
El total de pérdidas podemos calcularlas con la ecuación 2:
Perdidas =Masa muestra − Masa pesada tras ensayo
masa muestra
Perdidas =600 gr − 596,6 gr
600 gr = 0,00566 gr
Perdidas (%) = 0,56 %
En la gráfica 16 se muestra la distribución de la curva según los resultados obtenidos en la
tabla 4 con la arena Ottawa C778:
Figura 16. Grafica granulométrica.
Fuente: Desarrollada por el Autor
-10
10
30
50
70
90
110
0.010.1110
%Pa
san
te
Abertura Tamiz (mm)
(Ecu.2)
23
Con la curva granulométrica se procede a calcular los valores indicativos para la
clasificación de la arena en la tabla 5, sus valores de diámetros efectivos tales como
d10, d50, o d80, que indican el diámetro en gramos (mm) correspondiente a ese
porcentaje que ha pasado por ese tamiz.
Tabla 5.Diametros efectivos.
d10 0,19 mm
d50 0,36 mm
d80 0,47 mm
Fuente: Autor.
3.3.2 CARACTERÍSTICAS MORFOLÓGICAS ARENA OTTAWA
1. Coeficiente de uniformidad:
𝐶𝑢 =d60
d10
𝐶𝑢 =0,40
0,19= 2,10
Cuanto más uniforme sea la arena, probablemente es más débil el coeficiente de
uniformidad Cu (cercano a 1).
Las magnitudes de los términos anteriores son:
Arena con granulometría muy poca diferenciada: 2 ≤ Cu ≤ 3
Arena con granulometría muy diferenciada: Cu > 15.
En este caso esta arena es muy poca diferenciada.
(Ecu.3).
24
2. Coeficiente de curvatura:
𝐶𝑐 =𝑑302
d60 x d10 =
0,282
0,40 𝑥 0,19= 1,03
3. El tamaño máximo correspondería al primer tamiz con su abertura en mm
mayor y el tamaño máximo nominal corresponde al tamiz inmediatamente
inferior al del tamaño máximo el cual sea mayor o igual al 15% del porcentaje
retenido acumulado.
Tamaño máximo: 1,18
Tamaño máximo nominal: 0,8
4. Módulo de finura es el índice aproximado que nos describe en forma rápida y
breve, la proporción de partículas finos o de gruesos que lo constituyen. Se
calcula sumando los porcentajes acumulados en las mallas siguientes: Numero
4, 8, 16, 30, 50 y 100 inclusive y dividiendo el total entre cien.
μf =Σ % retenidos acumulados N ( 16, 30,50,100)
100
μf =0,017 + 0,80 + 64,62 + 99,97
100= 2,61
En este caso la arena Ottawa se clasifica dentro de Arenas medianas.
Si el módulo de finura de una arena es de 2.3 se trata de una arena fina; y si el
modulo se encuentra entre 2.3 a 3.1 se trata de una arena mediana. Y si el modulo
es mayor de 3.1 se trata de una arena gruesa.
(Ecu.4)
(Ecu.5)
25
3.3.3 TABLA Y GRÁFICA GRANULOMÉTRICA ARENA NACIONAL
20/40
Se realiza la granulometría con 600gr igualmente con la arena Ottawa, pero ahora
con la arena Nacional sílice 20/40 obteniendo la tabla 6:
Tabla 6. Datos obtenidos de la granulometría.
Fuente: Desarrollada por Autor.
El total de pérdidas totales son:
Perdidas =Masa muestra − Masa pesada tras ensayo
masa muestra
Perdidas =600 gr − 597,5 gr
600 gr = 0,00416 gr
Perdidas (%) = 0,41 %
En la siguiente gráfica se muestra la distribución de la curva según los resultados:
Arena Nacional
Limite. Finura ASTM C778
Tamiz N°
Tamiz mm
Masa Retenida gr
Porcentaje Retenido (%)
Porcentaje Ret. Acumu
Porcentaje que pasa
Límite inferior
Límite superior
16 1,18 0 0,000 0 100 100 100
30 0,6 0,1 0,02 0,02 99,98 95 100
50 0,3 345 57,7 57,7 42,3 15 30
100 0,15 245 41,0 98,7 1,34 0 4
200 0,075 8 1,34 100,00 0,00 0 1,5
Total 597,5 100
(Ecu.5)
26
Figura 17. Curva granulométrica para la arena local
Fuente: Desarrollada por el Autor.
De la gráfica granulométrica se procede a calcular los valores indicativos para la
clasificación de la arena en la tabla 7, sus valores de diámetros efectivos tales como
d10, d50, o d80, que indican el diámetro en gramos (mm) correspondiente a ese
porcentaje que ha pasado por ese tamiz.
Tabla 7.Diametros efectivos.
d10 0,18 mm
d50 0,33 mm
d80 0,45 mm Fuente: Autor.
-10
10
30
50
70
90
110
0.010.1110%
Pas
ante
Abertura Tamiz (mm)
27
3.3.4 CARACTERÍSTICAS MORFOLÓGICAS ARENA NACIONAL
1. Coeficiente de uniformidad:
𝐶𝑢 =d60
d10
𝐶𝑢 =0,37
0,18= 2,05
Las magnitudes de los términos anteriores son:
Arena con granulometría muy poca diferenciada: 2 ≤ Cu ≤ 3
Arena con granulometría muy diferenciada: Cu > 15.
En este caso esta arena es muy poca diferenciada.
2. Coeficiente de curvatura:
𝐶𝑐 =𝑑302
d60 x d10 =
0,252
0,37 𝑥 0,18= 0,94
3. El tamaño máximo correspondería al primer tamiz con su abertura en mm
mayor y el tamaño máximo nominal corresponde al tamiz inmediatamente
inferior al del tamaño máximo el cual sea mayor o igual al 15% del porcentaje
retenido acumulado.
Tamaño máximo: 1,18
Tamaño máximo nominal: 0,3
(Ecu.3)
(Ecu.4)
28
4. Módulo de finura es el índice aproximado que nos describe en forma rápida
y breve, la proporción de partículas finos o de gruesos que lo constituyen. Se
calcula sumando los porcentajes acumulados en las mallas siguientes:
Numero 4, 8, 16, 30, 50 y 100 inclusive y dividiendo el total entre cien.
μf =Σ % retenidos acumulados N (30,50,100)
100
μf =0,02 + 57,7 + 98,7
100= 1,56
En este caso la arena nacional sílice 20/40 ese clasifica dentro de
Arenas finas.
Si el módulo de finura de una arena es de 2.3 se trata de una arena fina;
y si el modulo se encuentra entre 2.3 a 3.1 se trata de una arena mediana.
Y si el modulo es mayor de 3.1 se trata de una arena gruesa.
3.4 COMPARACIÓN DE RESULTADOS GRANULOMÉTRICOS DE LOS DOS
TIPOS DE ARENAS.
Se realiza la curva granulométrica de la arena local sílice malla 20/40 y la arena
internacional Ottawa C778, se observan sus diferencias y similitudes que son de
importantes para la finalidad de este trabajo en la tabla 8.
(Ecu.5)
29
Tabla 8: Comparación de Arenas.
N° Características
Arena Ottawa
Arena Nacional
0 Perdidas de masa 0,56% 0,41%
1 Coeficiente. Uniformidad 2,1 2,05
2 Coeficiente Curvatura 1,03 0,94
3 Tamaño máximo 1,18 1,18
4 Tamaño Max Nominal 0,8 0,3
5 Modulo Finura 2,61 1,56
Fuente: Desarrollada a partir de la Granulometría por el Autor.
Se observan los resultados que arrojó la granulometría por tamizado manual de la
arena Ottawa C778 y la arena nacional Sílice 20/40. La curva granulométrica figura
16 de la arena Ottawa cumple en un 95% aproximadamente con los límites
establecidos por la norma ASTM C778 y solo en el tamiz 30 se sale del límite
superior, indicando que en ese tamiz el tamaño de la arena es más pequeña. La
curva granulométrica de la arena Nacional malla Sílice 20/40 figura 17 solo cumple
con los límites establecidos en un 60% aproximadamente con los límites
establecidos por la norma ASTM C778, indicando que en los tamices 50 y 30
sobresalen del límite superior es decir sus partículas de grano son aún más
pequeñas. Se evidencia que la arena local tiene coeficiente de uniformidad con una
diferencia de 0,05 respecto a la arena Ottawa C778, el coeficiente de curvatura
respecto a la Ottawa es de 0,09 que no son tan significativos, mientras que el
tamaño máximo nominal es bastante diferente ya que la arena Ottawa C778 se
clasifica dentro las arenas finas con 0,8 y la arena local 20/40 es mucho más fina
es decir que su tamaño es mucho menor con 0,3 con una diferencia de 0,5 frente a
la arena Ottawa. Se concluye que son bastante parecidas excepto por su tamaño
nominal y módulo de finura, ya que la arena Nacional sílice 20/40 es mucho más
fina en tamaño que la arena extranjera.
30
3.4.1 ANÁLISIS DE LAS ARENAS MICROGRÁFICAMENTE
1. MICROGRAFÍAS A 20X.
Figura 18. Fotografía Arena Ottawa a 20x (a). fotografia Arena Nacional a 20x (b).
Fuente: Autor. Microscopio Microscopio Zeiss Axio
En la figura 18 se observó características claras que diferencian los dos tipos de
arena, por un lado, la arena Ottawa C778 (a) es bastante esférica redondeada y con
un tamaño homogéneo, mientras que la arena Nacional sílice 20/40 (b) por el
contrario tiene sus gránulos angulares y con bastantes aristas, otro punto a destacar
en la figura 15: la arena Nacional sílice 20/40 (b) donde su tamaño es bastante
diferenciado y menor que la arena Ottawa C778. La arena nacional tiene un color
blanco-amarillento y la arena Ottawa C778 su color es blanco-gris.
2. MICROGRAFÍA A 80X.
Figura 19.. Fotografía Arena Ottawa a 80x (a). fotografia Arena Nacional a 80x (b).
Fuente: Autor. Microscopio Microscopio Zeiss Axio.
31
3.5 DESGASTE ABRASIVO NORMA ASTM G65-04.
3.5.1 TIPO DE ACEROS EN LA PRUEBA
La intención de método de ensayo de abrasión es determinar la resistencia de los
materiales metálicos a los desgastes de la abrasión, permitiendo trabajar cualquier
tipo de material ya sea forjado, fundición, metalización galvanizado, hierro, cobre,
acero etc.
Los materiales utilizados para llevar a cabo este ensayo de abrasión, fueron
determinados con la intención de estudiar a afondo y con detalle las diferentes
variables que pudieran existir entre dos tipos de arena en relación a dos tipos de
aceros.
a) El primero es el ACERO AISI 1020, por su alta tenacidad, baja resistencia
mecánica y su contenido de carbono, este acero es utilizado para la
fabricación de piezas o de maquinaria de media resistencia con una gran
tenacidad como ejes. También su composición química tabla 9 importante en
el desarrollo de este trabajo, generalmente utilizado en eslabones para
cadenas, tornillería corriente, bridas, piñones, grapas, clavos para ferrocarril
etc.
Propiedades físicas: Densidad 7,87 g/cm3 (0,284 lb/in3)
Propiedades mecánicas: Dureza 111 HB
Esfuerzo de fluencia 205 MPa (29700 PS)
Esfuerzo máximo 380 MPa (55100 PSI)
Módulo de elasticidad 205 GPa (29700 KSI)
Maquinabilidad 72% (AISI 1212 = 100%).
32
Tabla 9. Propiedades Químicas del acero 1020
COMPOSICIÓN
QUÍMICA
C% Mn
%
P máx.
%
S máx.
%
Si máx.
%
Análisis típico en % 0.18 0.23
0.3 0.6
0.04 0.05 0.15 0.13
Fuente: Ficha técnica 1020, Acero Bravo Ltda.
b) El segundo es el acero antidesgaste AR 450, tratado, templado y con
aleaciones de acero de bajo carbono mezclado con proporciones controladas
de diversos elementos, entre los que se destacan, Cromo (Cr), Níquel (Ni),
Manganeso (Mn), Molibdeno (Mo), tabla 10, permitiendo su soldabilidad,
formabilidad y maquinabilidad considerando su alta dureza. Su aplicación es
para resistencia al impacto y al desgaste por rozamiento, incluyendo más no
limitado a: compactadores, bandas transportadoras, cucharones, volteos,
excavadores, maquinaria pesada y cualquier aplicación que requiera mayor
dureza y anti desgaste.
• Propiedades mecánicas: Dureza 360 – 440 BHN
• Limite Elástico: 250 Ksi.
Tabla 10. Composición Química acero antidesgaste
COMPOSICIÓN
QUÍMICA
C% Mn % P % S % Si % Cr
%
Mo
Análisis típico en %
0.30 0.48 0.035 0.04 0.25 0.88 0.20
Fuente: ficha técnica, Abraservices ibérica.
33
3.6 POBLACION Y MUESTRAS.
3.6.1 POBLACIÓN
Se determinó la población figura 20, del presente estudio en base de los parámetros
que rige la norma ASTM G65-04, en ésta se establece que el número de pruebas
no debe ser menor a 3.
Figura 20. Probetas utilizadas en el desgaste abrasivo
Fuente: fotografía del Autor.
3.6.2 MUESTRAS.
La muestra para la siguiente investigación se calculó con la siguiente fórmula:
𝑛 =𝑁
𝐸2(𝑁 − 1) + 1
Dónde:
n= Tamaño de la muestra.
N= Población.
E= Error de muestreo.
(Ecu.6)
34
Entonces:
𝑛 =8
0,332(8 − 1) + 1→ 𝑛 = 4
En total el número de ensayos para la presente investigación serán:
NUMERO DE ENSAYOS= (Materiales empleados para el ensayo) *(Número de
Procedimientos) * (Tamaño de la muestra (n))
NUMERO DE ENSAYOS= 2*1*4
NUMERO DE ENSAYOS= (8) por cada material, para un total de 16
pruebas de desgaste abrasivo.
3.7 DISEÑO DE PRUEBA
Se consideró el siguiente diagrama de flujo para el diseño del trabajo, el cual está
adaptado según el desarrollo del estudio del Acero AISI 1020 y el acero
antidesgaste AR 450 utilizando la máquina de degaste abrasivo en base a la Norma
ASTM G-65-04.
35
Revisión de la Norma ASTM G65-04
Pesaje de probetas
Propiedades de las arenas
Determinación de parámetros
Preparación de probetas
Adquisición de materiales Acero AISI 1020 y Acero anti desgaste
INICIO
Adquisición de las arenas Nacional y Ottawa
Granulometría de las arenas
Calibración de variables
Dureza y diámetro del caucho
Humedad y flujo de las arenas
Velocidad del motor
Pesaje de probetas
Conclusiones
Calibración de la máquina con base a la Norma
Ensayo de abrasión
Microscopía electrónica
Verificación de propiedades
FIN
36
3.7.1 PARAMETROS DE PRUEBA.
Para garantizar una mayor confiabilidad estadística a la hora de comparar
resultados finales y dentro de los parámetros óptimos de la prueba de desgaste
según la norma ASTM G65, se determinó:
1. Se procederá hacer la prueba desgaste abrasivo con una maquina creada
por estudiantes de la Universidad Distrital francisco José de caldas donde
cuenta con todos los estándares, variables calibradas y parámetros de la
norma ASTM G65-04.
2. Que por cada tipo de material se utilizarían 8 pruebas de desgaste abrasivo,
para el acero AISI 1020 y 8 pruebas para el acero anti desgaste AR 450 para
un total de 16 pruebas.
3. Para cada tipo de acero se utilizarán dos tipos de arenas diferente, de las
cuales 4 pruebas serán con la arena nacional malla 40/60 las otras 4 con la
arena internacional Ottawa C778.
4. El instrumento para la obtención de la masa para cada probeta más
adecuada y precisa, será una balanza de precisión con una resolución de
0.0001g.
5. En el desarrollo del degaste abrasivo se hará un sorteo aleatorio para el
orden en el que se procederá el desgaste abrasivo para cada tipo de acero y
así garantizar una mayor confiabilidad.
37
3.8 CALIBRACION DE VARIABLES.
Es de vital importancia el funcionamiento óptimo de la máquina, la verificación de
los estándares y el correcto funcionamiento del mecanismo y sus elementos
definidos por la norma ASTM G65-04, la cual establece criterios específicos de
importancia crítica para poder garantizar el adecuado control de las variables
involucradas en el ensayo.
3.8.1 DISCO CON RECUBRIMIENTO DE CAUCHO
Se procedió a medir la dureza del caucho con un durómetro Shore A marca PCE
Intruments ref. PCH-HT150 Según la norma ASTM D224, para asegurar el valor
requerido por la norma ASTM G65, el cual debe ser de 60 Shore A con variación
permitida de +/-2. Para esto, se realizaron 4 mediciones en la periferia del disco
cada 90° figura 21, cuyo promedio se muestra en la Tabla 11:
Tabla 11. Mediciones del recubrimiento de caucho.
# medición Dureza Shore A
1 60,9
2 61,5
3 60,1
4 60,2
Dureza promedio Shore A 60,67
Desviación estándar Shore A 0,42
Fuente: Desarrollada por el Autor.
38
Figura 21. Medicion para compensacion de diámetro(a). Medicion dureza Shore A(b)
Fuente: Fotografía del Autor.
3.8.2 COMPENSACIÓN DE LA DISMINUCIÓN DE DIÁMETRO DEL
CAUCHO.
Se hacen diferentes tipos de pruebas de desgaste el recubrimiento de caucho se va
desgastando por lo que la distancia de abrasión disminuirá gradualmente. Es
necesario compensar esta disminución de la distancia de abrasión aumentando el
número de ciclos de prueba, de modo que la distancia permanezca constante,
satisfaciendo los requerimientos de la norma ATSM G65-04.
La norma específica en el numeral 1.3 cinco métodos de ensayos para el desgaste
abrasivo, para la realización de este trabajo desarrollaremos el procedimiento B
donde es particularmente útil en la clasificación de los materiales resistentes de baja
y media abrasión y estipula número de ciclos y la abrasión lineal como se muestra
en la tabla 12.
39
Tabla 12. Número de ciclos y tiempo estimado para la prueba
Procedimiento Carga sobre la probeta (N)
Número de ciclos
Abrasion lineal (m)
B 130 2000 1436
Fuente: Norma G65-04
A medida que el diámetro del disco disminuye, se debe compensar esta pérdida con
el aumento del número de ciclos para mantener la distancia de abrasión mínima
requerida, entonces:
Hallamos el perímetro del caucho:
π ∗ D = Perimetro
π(22,6cm) =70,999cm
100= 0,70999mm
Ahora las revoluciones:
𝑅𝑒𝑣𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠(𝑟𝑝𝑚) =Abrasion lineal (m)
Perimetro (mm)
1436𝑚
0,70999𝑚𝑚= 2022,53 𝑟𝑝𝑚
El motor gira a 172 rpm, para calcular el tiempo hacemos una regla de tres simple entonces:
172 rpm → 1min
2022,53 rpm → X
2022,53 rpm
172 rpm = 11,76min ≅ 11′46"
(Ecu.7)
(Ecu.8)
(Ecu.9)
40
3.8.3 MEDICIÓN DE MASAS
Se pesaron las probetas en una balanza de alta precisión para este caso se
seleccionó una balanza Scientech ref.SA210D ver figura 22. Con una resolución de
0,0001g, lo cual es lo más recomendable para el pesaje al inicio y al final de nuestro
ensayo de desgaste abrasivo G65-04 y así satisfacer los requerimientos del numeral
9.2 de la norma.
Figura 22. Balanza de medición Scientech.
Fuente: Fotografía del Autor.
3.8.4 CONTENIDO DE HUMEDAD DE LAS ARENAS
La norma ASTM G65-04 estipula el contenido de humedad máximo y la forma de
determinarlo. Donde consiste en calentar una muestra de arena dentro de un horno
a 120 °C durante 1 hora para luego medir el peso perdido, el cual no debe exceder
el 0.5% del peso total ya que pueden verse afectados los resultados. En la Tabla 13
41
y 14 se presentan los datos obtenidos para los dos tipos de arena Ottawa C778 y
Nacional Sílice 20/40.
1. Contenido de humedad de la arena Ottawa C778.
Tabla 13. Contenido de humedad de la arena Ottawa C778
Arena Ottawa
# Medición Masa 1 (gr) Masa 2 (gr) Diferencia de
masas (gr) %
Humedad
1 99,8 99,7 0,10 0,1005
2 100,3 99,98 0,32 0,3206
3 99,9 99,8 0,10 0,1005
4 100,3 100,2 0,10 0,1003
5 100 99,9 0,10 0,10
Promedio 100,06 99,916 0,144 0,14438
Desviación Estándar (%) 0,08811
Fuente: Desarrollada por el Autor.
2. Contenido de humedad de la arena Nacional sílice malla 20/40
Tabla 14. contenido de humedad de la arena Local 20/40
Arena Nacional
# Medición Masa 1 (gr) Masa 2 (gr) Diferencia de
masas (gr) % Humedad
1 99,9 99,7 0,20 0,2005
2 100,3 99,98 0,32 0,3206
3 100 99,8 0,20 0,2005
4 100,3 100,1 0,20 0,2003
5 100 99,9 0,10 0,10
Promedio 100,1 99,896 0,204 0,20438
Desviación Estándar (%) 0,069927
Fuente: Desarrollada por el Autor.
Se calculó el contenido de humedad de los dos tipos de arena no es bastante
significativo, la arena Ottawa C778 es mucho más húmeda en comparación con la
nacional. El contenido de humedad no superó el 0.5% en peso de cada muestra,
con un promedio de 0,20 % y 0,14%.
42
4. RESULTADOS DE ENSAYOS DE DESGASTE ABRASIVO.
Se desarrollaron las pruebas de desgaste abrasivo bajo los estándares de la norma
ASTM G65-04, recordando que se hizo un sorteo aleatorio para el orden en el que
se desarrollaría la prueba para distinto material.
En el numeral 10.1 de la norma específica que los resultados de la prueba de
abrasión deben ser reportados como perdida de volumen en milímetros cúbicos
como se muestra en la ecuación:
𝑃𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛(𝑚𝑚3) =Masa Perdida (gr)
Densidad (g
cm3)
4.1 TABLA DE RESULTADOS DE LOS TIPOS DE ARENA.
Tabla 15. Resultados de desgaste abrasivo G65-04 con arena Nacional Sílice 20/40.
ARENA NACIONAL SILICE 20/40
Orden Prueba
Tipo de material
Peso Inicial (gr)
Peso Final (gr)
Diferencia (gr)
Perdida de Volumen
(mm3)
1 ACERO AR 450 193,2617 192,3617 0,9000 114,358
2 ACERO AR 450 193,4888 192,5781 0,9107 115,718
3 ACERO 1020 195,9578 194,9019 1,0559 134,168
4 ACERO 1020 196,5347 195,4412 1,0935 138,945
5 ACERO AR 450 190,6502 189,6087 1,0415 132,338
6 ACERO 1020 199,558 198,5825 0,9755 123,952
7 ACERO AR 450 189,7602 188,844 0,9162 116,417
8 ACERO 1020 195,0808 193,9861 1,0947 139,098
PROMEDIO= 0,9985 126,874
Fuente: Desarrollado por el Autor.
(Ecu.1)
43
Tabla 16. Resultados de desgaste abrasivo con arena Ottawa C778.
ARENA OTTAWA
Orden Prueba
Tipo de Material
Peso Inicial (gr)
Peso Final (gr)
Diferencia (gr)
Perdida de
Volumen (mm3)
9 ACERO 1020 194,9019 194,129 0,7729 98,208
10 ACERO AR 450 192,3617 191,8336 0,5281 67,103
11 ACERO AR 450 189,6087 188,9327 0,6760 85,896
12 ACERO 1020 198,5825 197,8879 0,6946 88,259
13 ACERO 1020 195,4412 194,8014 0,6398 81,296
14 ACERO AR 450 192,5781 192,0886 0,4895 62,198
15 ACERO 1020 193,9861 193,4253 0,5608 71,258
16 ACERO AR 450 186,3816 185,8774 0,5042 64,066
PROMEDIO= 0,6082 77,286
Fuente: Desarrollado por el Autor.
4.2 GRAFICAS COMPARATIVAS.
4.2.1 LOS DOS TIPOS DE ARENA FRENTE A CADA ACERO.
Grafica 1. Comparación pérdida de volumen de dos tipos de arenas con el acero 1020
Fuente: Desarrollada por el Autor.
1 2 3 4
Arena Local 134.168 138.945 123.952 139.098
Arena Ottawa 98.208 88.259 81.296 71.258
0.00020.00040.00060.00080.000
100.000120.000140.000160.000
Pe
rdid
a d
e V
olu
me
n(m
m3
)
Desgaste Abrasivo ACERO AISI1020
44
Grafica 2. Comparación pérdida de volumen de dos tipos de arenas con el acero 450.
Fuente: Desarrollada por el Autor.
Se analiza que hay una diferencia en el desgaste abrasivo de cada arena frente al
mismo acero, tanto en el acero AISI 1020 grafica 1 y el acero antidesgaste 450
grafica 2. Al desarrollar la granulometría de los dos tipos de arena, encontramos
que estas dos se diferencian en el tamaño máximo nominal y aún más en la forma
de grano. La arena local 20/40 con partículas angulosas, sub-angulosas y con
irregulares tamaños, trabajan un mecanizado de micro-fatiga sobre la superficie del
material desgastando aún más el acero AISI 1020 y el acero antidesgaste, mientras
que la arena Ottawa C778 es uniforme con sus partículas redondeadas, sub-
redondeadas y su trabajo de mecanizado sobre los aceros es por micro-arado,
micro-corte y micro-agrietamiento, pero el desprendimiento de material es menor
frente a la otra arena, reflejando las pérdidas de volumen de desgaste abrasivo
diferenciada de cada arena frente a cada acero.
1 2 3 4
Arena local 114.358 115.718 132.338 116.417
Arena Ottawa 67.103 85.896 62.198 64.066
0.00020.00040.00060.00080.000
100.000120.000140.000
Pe
rdid
a d
e V
olu
me
n(m
m3
)
Desgaste Abrasivo ACERO 450
45
4.2.2 LOS DOS ACEROS RESPECTO A LA ARENA.
Grafica 3.Pérdida de volumen de los aceros con la arena local 20/40
Fuente: Desarrollado por el autor.
Grafica 4. Pérdida de volumen de los aceros con la arena Ottawa C778
Fuente: Desarrollado por el Autor.
Las propiedades mecánicas de los aceros influyen en la diferencia de degaste
abrasivo en las gráficas 3 y 4 aparte de la morfología de las arenas anteriormente
mencionadas. El acero AISI 1020 es un acero con alta tenacidad, baja resistencia
mecánica y cuenta con carbono de (0,18%) y el acero antidesgaste AR 450 es un
1 2 3 4
ACERO 1020 134.168 138.945 123.952 139.098
ACERO AR 450 114.358 115.718 132.338 116.417
0.00020.00040.00060.00080.000
100.000120.000140.000160.000
Per
did
a d
e V
olu
men
(m
m3
)
Arena Nacional Silice malla 20/40.
1 2 3 4
ACERO 1020 98.208 88.259 81.296 71.258
ACERO AR 450 67.103 85.896 62.198 64.066
0.000
20.000
40.000
60.000
80.000
100.000
120.000
Per
did
a d
e V
olu
men
(m
m3
)
Arena Ottawa C778
46
material tratado, templado y con aleaciones de acero de bajo carbono mezclado con
proporciones controladas de diversos elementos, entre los que se destacan, Cromo
(Cr), Níquel (Ni), Manganeso (Mn), Molibdeno (Mo), lo que deriva en mayor dureza.
4.2.3 COEFICIENTE DE CORRELACIÓN PEARSON.
Indican la situación relativa de los mismos sucesos respecto a las dos variables
cuantitativas, es decir, son la expresión numérica que nos indica el grado de relación
existente entre las 2 variables y en qué medida se relacionan, para este caso la
relación que existe entre el desgaste abrasivo de la arena local sílice malla 20/40 y
el desgaste abrasivo de la arena Ottawa C778. Se estudia por medio del cálculo del
coeficiente de correlación de Pearson (r), Dicho coeficiente se mide en una escala
de 0 a 1, tanto en dirección positiva como negativa. Un valor de “0” indica que no
hay relación lineal entre las variables. Un valor de “1” o “–1” indica, respectivamente,
una correlación positiva perfecta o negativa perfecta entre dos variables.
En la tabla 16.1 se muestra los datos de la perdida de volumen de los dos tipos de
arena respecto al acero antidesgaste AR 450 y en la tabla 16.2 se muestra el
desgaste, pero con el acero AISI 1020, para determinar su coeficiente de correlación
y el porcentaje de determinación.
Tabla 16. 1 , Perdida de Volumen ACERO AR 450
PERDIDA DE VOLUMEN EN (mm^3) DEL ACERO ANTIDESGASTE AR 450.
Prueba ARENA LOCAL ARENA OTTAWA
1 114,358 67,103
2 115,718 85,896
3 132,338 62,198
4 116,417 64,066
Fuente: Desarrollada por el autor.
47
Tabla 16.2 1Perdida de Volumen ACERO AISI 1020.
PERDIDA DE VOLUMEN EN
(mm^3) DEL ACERO AISI 1020
N. Prueba ARENA LOCAL ARENA OTTAWA
1 134,168 98,208
2 138,945 88,259
3 123,952 81,296
4 139,098 71,258
Fuente: Desarrollado por el autor.
El coeficiente de correlación lineal de Pearson se define matemáticamente con la
ecuación siguiente:
Donde:
r = coeficiente de correlación de Pearson.
Sxy = sumatoria de los productos de ambas variables.
Sx = sumatoria de los valores de la variable independiente.
Sy = sumatoria de los valores de la variable dependiente.
Sx2 = sumatoria de los valores al cuadrado de la variable independiente.
Sy2 = sumatoria de los valores al cuadrado de la variable dependiente.
N = tamaño de la muestra en función de parejas
.
(Ecu.1,1)
48
Creamos ahora una gráfica 4.1.1 de correlación, entre los datos de desgaste
abrasivo en mm^3 de la arena Ottawa C778 y la arena local 20/40 con el acero AISI
1020 representando la correlación obtenida.
Grafica 4.1 1 Correlación del acero AISI 1020
Fuente: Desarrollada por el Autor, Excel.
La línea de tendencia es casi recta entre las dos variables lo que nos indica que no
tiene correlación. En la tabla 16.3.1, la arena Ottawa respecto a la arena local tiene
un -0,05 de correlación de Pearson lineal y una determinación de 0,0036 para un
porcentaje de variabilidad de 0%. Por lo tanto, los datos de desgaste abrasivo sobre
el acero AISI 1020 de la arena Ottawa es independiente de la arena local 20/40 sin
asociación alguna.
Tabla 16.3 1. Desarrollo de correlación de Pearson.
CORRELACION PEARSON ACERO AISI 1020
ARENA LOCAL
ARENA LOCAL 1
ARENA OTTAWA -0,059713861
DETERMINACION (r ^2) 0,0036
PORCENTAJE 0%
Fuente: Cálculos desarrollados por el autor, Microsoft Excel.
y = -0,0955x + 97,558R² = 0,0036
0.000
20.000
40.000
60.000
80.000
100.000
120.000
120.000 125.000 130.000 135.000 140.000
AR
ENA
OTT
AW
A C
77
8
ARENA LOCA 20/40
CORRELACION ACERO AISI 1020
49
Se realiza la gráfica 4.2.1 de correlación, entre los datos de desgaste abrasivo en
mm^3 de la arena Ottawa C778 y la arena local 20/40 pero esta vez con el acero
antidesgaste AR 450 representando la Asociación obtenida.
Tabla 4.2 1. Desarrollo de correlación de Pearson.
Fuente: Desarrollada por el Autor, Excel.
En este caso hay una correlación lineal débil negativa entre las dos variables, en la
tabla 16.4.1 la arena Ottawa C778 respecto a la arena local tiene un -0,45 de
correlación lineal de Pearson y una determinación de 0,21 para un porcentaje de
variabilidad del 21%, un porcentaje por debajo del 30 % indicando una relación débil
entre las dos variables cuantitativas de las arenas.
Tabla 16.4. 1.Desarrollo de correlación de Pearson
CORRELACION PEARSON ACERO AR 450
ARENA LOCAL
ARENA LOCAL 1
ARENA OTTAWA -0,458277547
DETERMINACION (r ^2) 0,2100
PORCENTAJE 21%
Fuente: Cálculos desarrollados por el autor, Microsoft Excel.
y = -0.5907x + 140.53R² = 0.21
0.000
10.000
20.000
30.000
40.000
50.000
60.000
70.000
80.000
90.000
100.000
110.000 115.000 120.000 125.000 130.000 135.000
AR
ENA
OTT
AW
A C
77
8
ARENA LOCAL 20/40
CORRELACION ACERO AR 450
50
La correlación de las arenas para el acero 1020 es de 0% respecto al 21% del acero
antidesgaste, asociadas en gran medida en que la perdida de volumen del acero
AISI 1020 es aún mayor sobre el acero antidesgaste, pero un 21% de asociación
entre las arenas es una relación de correlación lineal de Pearson débil.
4.3 CARACTERIZACIÓN MEDIANTE MICROSCOPÍA ELECTRONICA DE
BARRIDO.
La microscopía electrónica de barrido (MEB) es una técnica de análisis superficial,
que consiste en enfocar sobre una muestra electro densa (opaca a los electrones)
un fino haz de electrones se desplaza sobre la superficie de la muestra realizando
un barrido que obedece a una trayectoria de líneas paralelas. La variación
morfológica de la muestra entrega diversas señales (electrones secundarios,
electrones retro dispersados, emisión de rayos X) que son recogidas por distintos
detectores; los cuales permiten la observación de imágenes de alta resolución (de
hasta 3 mm), con detalles muy cercanos en la muestra pueden ser observados
separadamente y a alta magnificación. [5] Universidad de los andes,2016.
Figura 23. Microscopio de barrido electrónico, marca JEOL, referencia JSM-6490LV de alta resolución.
Fuente: Fotografía por el Autor.
51
Se tomaron varias imágenes en el microscopio de barrido electrónico figura 22
marca JEOL, referencia JSM-6490LV de alta resolución, en las instalaciones de la
Universidad de los Andes de Colombia con el fin de apreciar y comparar el
mecanizado que hace la arena Nacional 20/40 y la arena Ottawa C778 frente a dos
tipos de aceros a alta y baja abrasión.
5. ANALISIS DE LAS SUPERFICIES DESGASTADAS CON LOS DOS
TIPOS DE ARENA.
Con base en la literatura especializada, se hace análisis y caracterización de las
superficies desgastadas con la arena nacional sílice 20/40 y la arena Ottawa C778
para los dos tipos de materiales, un acero AISI 1020 y un acero AR 450.
5.1 MICROSCOPIA DEL ACERO 1020 CON ARENA NACIONAL 20/40 Y
ARENA OTTAWA C778 A 400X.
Figura 24.Acero AISI 1020 Arena local Sílice 20/40, (a). Acero AISI 1020 Arena Ottawa C778. (b)
Fuente: Microscopio JSM-6490LV de alta resolución, Universidad de los Andes.
52
La imagen (a) presenta un desprendimiento de material con patrones claros de
micro fatiga más pronunciados con un mayor desgaste abrasivo, esto se debe a que
la morfología de la arena Nacional sílice 20/40 es angular, irregular y con bastantes
aristas, mientras que en la imagen (b), se observa un rayado evidentemente con
micro arado, aquí se trabajó con arena Ottawa C778, como su morfología
redondeada y con tamaños parejos, produciendo surcos, microsurcos y micro
grietas sin desprendimiento de material significativo sobre la superficie. El material
utilizado en las imágenes fue un acero AISI 1020, el cual es bastante frágil y
propenso a micro grietas y deformación plástica factor que facilitó la observación en
detalle del fenómeno de desgaste abrasivo con los dos tipos de arena.
5.2 MICROSCOPIA DEL ACERO 1020 CON ARENA NACIONAL 20/40 Y
ARENA OTTAWA C778 A 800X.
Figura 25.Acero AISI 1020 Arena local Sílice 20/40, (a)Acero AISI 1020 Arena Ottawa C778. (b)
Fuente: Fuente: Microscopio JSM-6490LV de alta resolución, Universidad de los Andes.
53
5.3 MICROSCOPIA DEL ACERO 1020 CON ARENA NACIONAL 20/40 Y
ARENA OTTAWA C778 A 2000X.
Figura 26.. Acero AISI 1020 Arena local Sílice 20/40, (a)Acero AISI 1020 Arena Ottawa C778. (b)
Fuente: Microscopio JSM-6490LV de alta resolución, Universidad de los Andes.
Se analizó a un aumento de 800x y 2000x donde se aprecia con claridad la
diferencia de mecanizado de los dos tipos de arena, en la imagen (a) tiene una
superficie con desprendimiento de material sobre la totalidad de su área con
partículas desprendidas y probablemente de arena también, con patrones muy
marcados de micro fatiga orientados en la dirección del movimiento de desgaste,
señalados en la fotografías, definitivamente ese fenómeno es por la morfología y el
tamaño irregular de la arena local Sílice malla 20/40 aruñando y desgarrando la
superficie, mientras que en la imagen (b) trabajada con la arena internacional
Ottawa C778 con su morfología y tu tamaño parejo marca presencia de surcos,
microsurcos, micro grietas con pocas partículas de material desprendido normales
dentro de este tipo de ensayos. Además, se aprecian zonas oscuras que
probablemente pueden estar asociadas a porosidad o algún tipo de inclusión.
54
5.4 MICROSCOPIA DEL ACERO ANTIDESGASTE AR 450 CON ARENA
NACIONAL 20/40 Y ARENA OTTAWA C778 A 400X.
Se analizaron imágenes de las huellas de desgaste abrasivo de un acero
antidesgaste AR 450 y el trabajo de mecanizado de los dos tipos de arenas sobre
la superficie del material, el acero cuenta con propiedades mecánicas distintas al
acero AISI 1020 anteriormente analizado.
Figura 27. Acero AISI 1020 Arena local Sílice 20/40, (a)Acero AISI 1020 Arena Ottawa C778. (b)
Fuente: Microscopio JSM-6490LV de alta resolución, Universidad de los Andes.
55
5.5 MICROSCOPIA DEL ACERO AR 450 CON ARENA NACIONAL 20/40 Y
ARENA OTTAWA C778 A 800X.
Figura 28. Acero AISI 1020 Arena local Sílice 20/40, (a)Acero AISI 1020 Arena Ottawa C778. (b)
Fuente: Microscopio JSM-6490LV de alta resolución, Universidad de los Andes.
5.6 MICROSCOPIA DEL ACERO AR 450 CON ARENA NACIONAL 20/40 Y
ARENA OTTAWA C778 A 2000X.
Figura 29. Acero AISI 1020 Arena local Sílice 20/40, (a)Acero AISI 1020 Arena Ottawa C778. (b)
Fuente: Microscopio JSM-6490LV de alta resolución, Universidad de los Andes.
56
En las figuras 27 y 28 se presenta menor trabajo de mecanizado sobre la superficie
del acero antidesgaste AR 450 en comparación con el trabajo de mecanizado en la
superficie del acero AISI1020. En la figura 1 y 2, comparación de arenas frente al
material, se define que este tipo de acero antidesgaste tiene menor perdida de
volumen en mm3 que el acero AISI 1020. Se rectifica nuevamente esta diferencia
en las micrografías electrónicas de barrido, donde visualmente hay más claridad en
el mecanismo de desgaste abrasivo. En la imagen (a) de la figura 28 hay
desprendimiento de material por micro fatiga en zonas específicas y no en toda el
área superficial, también cuenta con unas líneas pronunciadas de micro arado,
micro agrietamiento y porosidades, producidas seguramente por la morfología
irregular de la arena local sílice malla 20/40. En la imagen (b) figura 29, el
mecanismo de desgate abrasivo no tiene desprendimiento importante del material
sobre la superficie en comparación con la imagen (a), con apenas unas micro grietas
algunos surcos y micro surcos, seguramente a que la arena internacional Ottawa
C778 tiene sus partículas mayormente del mismo tamaño, redondeadas y sub
redondeadas las cuales producen menos desprendimiento sobre la superficie del
material.
57
5.7 MICROSCOPIA DE PERFIL DEL ACERO AISI 1020 A 30X Y A UN
AUNMENTO DE 70 X.
Figura 30. Huella de desgaste abrasivo de vista de perfil por arena local, (a). Huella de degaste abrasivo de perfil por arena internacional Ottawa a 30x, (b)
Fuente: Microscopio JSM-6490LV de alta resolución, Universidad de los Andes.
Figura 31. Huella de desgaste abrasivo de vista de perfil por arena local, (a). Huella de degaste abrasivo de perfil por arena internacional Ottawa a 70x, (b)
Fuente: Microscopio JSM-6490LV de alta resolución, Universidad de los Andes.
58
5.8 MICROSCOPIA DE PERFIL DEL ACERO ANTIDESGASTE AR 450 A 30X
Y A UN AUMENTO 70X.
Figura 32.Huella de desgaste abrasivo de vista de perfil por arena local, (a). Huella de degaste abrasivo de perfil por arena internacional Ottawa a 30x, (b)
Fuente: Microscopio JSM-6490LV de alta resolución, Universidad de los Andes.
Figura 33.Huella de desgaste abrasivo de vista de perfil por arena local, (a). Huella de degaste abrasivo de perfil por arena internacional Ottawa a 70x, (b)
Fuente: Microscopio JSM-6490LV de alta resolución, Universidad de los Andes.
59
Las micrografías de barrido electrónico, pero de perfil a aumentos de 30x y 70x. Se
detallan trabajo de mecanizado por abrasión, desarrollado por los dos tipos de
arenas, logrando diferenciar las altitudes de crestas y valles de la huella de
desgaste. En la figura 30 (a), a aumentos de 30X donde el acero AISI 1020 con
mecanismo abrasivo de la arena local Sílice malla 20/40 tiene una cresta principal
de aproximadamente de 250 µm y en la micrografía (b) con mecanismo abrasivo
trabajado por la arena Ottawa C778 tiene una cresta aproximada de 125 µm,
entonces la arena local tiene la diferencia del doble de la altitud aproximadamente
lo cual concuerda con la gráfica 1 pagina 43 pérdida de volumen de dos tipos de
arenas con el acero 1020.
En la figura 32 (a), a aumentos de 30X donde el acero antidesgaste AR 450 con
mecanismo abrasivo de la arena local sílice malla 20/40 tiene una cresta principal
de aproximadamente 125 µm y en la micrografía (b) con mecanismo abrasivo
trabajado por arena Ottawa C778 tiene una cresta aproximadamente menor o igual
a 125 µm. En la figura 4 pagina 45 la prueba 2 muestra la relación y rectifica la
semejanza en la altitud de las crestas en las perdidas de volumen en el acero
antidesgaste AR 450.
60
5.9 ARENAS, ANTES Y DESPUES DE LA PRUEBA DE DESGASTE
ABRASIVO G65-04
Figura 34. fotografía a 20x de la arena Nacional sílice malla 20/40 antes de usar (a). Arena Nacional sílice malla 20/40 usada, después de la prueba de desgaste abrasivo (b)
Fuente: Autor, por medio Microscopio Zeiss Axio.
Figura 35.. fotografía a 20x de la arena Ottawa C778 antes de usar (a). Arena Ottawa C778 usada, después de la prueba de desgaste abrasivo (b)
Fuente: Autor, por medio Microscopio Zeiss Axio.
61
Se hizo fotografía microscópica a 20x de la arena Nacional Sílice malla 20/40 (a)
antes de realizar la prueba de desgaste abrasivo y luego se tomó fotografía
microscópica de la misma arena a 20x después de realizar la prueba de desgaste,
Se evidencia que la partícula de arena se quiebra y despedaza con solo un uso en
la prueba desgaste, como se aprecia en la fotografía figura 34 (b). Mientras que la
arena Ottawa no tuvo ningún cambio en su tamaño o forma figura 35 (b), podría
reciclarse para una nueva prueba de desgaste abrasivo ASTM G65-04.
6. CONCLUSIONES.
Se realizó Granulometría por tamizado manual para determinar las propiedades
granulométricas de los dos tipos de arena, tamaño máximo nominal, módulo de
finura y distribución de granos que cohabitan dentro de la arena local Sílice 20/40 y
la arena Ottawa C778. Se utilizaron tamices con malla de distintos diámetros N° 16,
30, 50, 100, determinando el porcentaje de material que se retiene en cada una de
ellas, los resultados de la prueba, curva granulométrica se graficaron junto con los
límites mínimos y máximos aceptables para cada tamaño estipulados en la norma
C778 recomendado para el desgaste abrasivo a fin de verificar si la distribución de
tamaños era optima y adecuada. Con la curva granulométrica se procedió a calcular
los valores indicativos para la clasificación y caracterización de las arenas donde se
concluyó que:
La arena Ottawa C778 tiene un coeficiente de uniformidad de 2,10 muy poca
diferenciada, coeficiente de curvatura es de 1,03. Su tamaño máximo nominal de
0,8 y su módulo de finura es de 2,61 clasificada dentro de las arenas medianas.
La arena Nacional Sílice 20/40 tiene un coeficiente de uniformidad de 2,05 poca
diferenciada, coeficiente de curvatura es de 0,94. Su tamaño máximo nominal de
0,3 y su módulo de finura es de 1,56 clasificada dentro de las arenas finas.
62
Se Verifican las pérdidas de volumen en mm3 de la prueba de desgaste abrasivo
figura 30 pagina 43 y se concluye con las micrografías de barrido electrónico que
la arena local malla sílice 20/40 cuenta con partículas angulosas, sub-angulosas y
con irregulares tamaños, trabaja un mecanizado de micro-fatiga sobre la superficie
del material desgastando del acero AISI 1020 y el acero antidesgaste AR 450,
mientras que la arena Ottawa C778 es uniforme, con sus partículas redondeadas,
sub-redondeadas y su trabajo de mecanizado sobre los aceros es por micro-arado,
micro-corte y micro-agrietamiento, por lo que desprendimiento del material de
degaste abrasivo sobre la superficie ya sea acero AISI 1020 y acero antidesgaste
AR 450 es menor frente a la arena local Sílice malla 20/40.
La correlación lineal de Pearson del desgaste abrasivo cuantitativo de la arena
Ottawa y la arena local respecto al acero AISI 1020 es de -0,05 y una determinación
de 0,0036 para un porcentaje de variabilidad del 0% lo que nos indica que no tiene
asociación alguna. La correlación de las arenas de desgaste abrasivo respeto al
acero antidesgaste AR 450 es de -0,45 y una determinación de 0,21 para un
porcentaje de variabilidad del 21% mayor al acero 1020, asociado a las propiedades
mecánicas de los dos aceros en perdida de volumen en la prueba de degaste
abrasivo y que está por debajo del 30% por que se determina que hay una debilidad
de correlación lineal entre las dos arenas y no habría corrección alguna para el uso
de la arena sílice 20/40 para la realización de ensayos según la norma ASTM G65.
Se concluye que la partícula de arena local sílice malla 20/40 se quiebra y
despedaza en solo un uso en la prueba desgaste abrasivo, Mientras que la arena
Ottawa C778 no tuvo ningún cambio en su morfología para lo cual podría reciclarse
sin ningún problema para una nueva prueba de desgaste abrasivo ASTM G65-04.
63
7. BIBLIOGRAFÍA.
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estudios superiores, Cuautitlán México. Recuperado de
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Grado para optar al título de Ingeniero Mecánico Universidad de los Andes
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[4] ASTM International. Standard Terminology Relating to Wear and Erosion. ASTM
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de Grado para optar por el título de Ingeniero Mecánico. Universidad Distrital.
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