avance 17-o del programa doctoral ciencias e ingeniería ... · afilada sobre los materiales...
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Avance 17-O del programa doctoral
Ciencias e Ingeniería (de Materiales)
Estudio experimental y numérico del desgaste en un acero
AISI L6 con recubrimientos duros.
Doctorante: Daniel Sánchez Huerta
Asesor interno: Isaías Hilerio Cruz
Asesor externo: Noé López Perrusquia
Contenido
• Proyecto de investigación
• Cronograma 17-O
• Objetivos e hipótesis
• Introducción
• Método experimental
• Resultados
• Conclusiones
• Agradecimientos
keV
0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00
Co
un
ts[x
1.E
+3
]
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
001
B
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B
V
Cr
V
Mn
Cr
Fe
Mn
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Fe
Ni
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Si P
Mo
Mo
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FeKesc
VCr
V
Mn
Cr
Fe
Mn
Co
Fe
Ni
Co
Ni
keV
0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00
Co
un
ts[x
1.E
+3
]
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
001
B
Mo
C
B
V
Cr
V
Mn
Cr
Fe
Mn
Co
Fe
Ni
Co
Ni
Si P
Mo
Mo
S
S
FeKesc
VCr
V
Mn
Cr
Fe
Mn
Co
Fe
Ni
Co
Ni
Proyecto de investigación
Cronograma 17-O
Objetivos e Hipótesis
Introducción
Método Experimental
Resultados
Conclusiones
Agradecimientos
Proyecto de investigación
Cronograma 17-O
Objetivos e Hipótesis
Introducción
Método Experimental
Resultados
Conclusiones
Agradecimientos
Hipótesis 17-O
Se obtendrá un desgaste mayor en el aumento de carga, así mismo aumentara la perdida de
material al crecer la concentración de material abrasivo.
Objetivo general 17-O
Obtener un desgaste en un acero AISI L6, mediante ensayos de desgaste tres cuerpos, y así
poder caracterizar el comportamiento en la perdida de material para determinar la influencia
del contacto hertziano durante el ensayo tribológico.
Proyecto de investigación
Cronograma 17-O
Objetivos e Hipótesis
Introducción
Método Experimental
Resultados
Conclusiones
Agradecimientos
Para un periodo de hasta
treinta años, al modificar y
optimizar la superficie de los
materiales, así como mejorar
la resistencia al desgaste; la
reducción de CO2 puede ser
de 3.140 millones de
toneladas y tener un ahorro
de hasta 970,000 millones de
Euros, K. Holmberg et al. (2017).
Beneficios energéticos de
10,000,000 galones
(13,472,000 TJ/año) para un
lapso de 15 a 20 años solo por
una adecuada optimización
mecánica; al modificar el CoF
(Coeficiente de Fricción) se
estima un ahorro de 2,000
millones de euros, y en
electricidad de 36,000 GWh,
LEHIGH, University (2015) .
dejando de emitir 10.6
millones de toneladas de CO2
para un periodo de 10 años
para países industrializados, a
nivel global el impacto del
coeficiente de fricción y el
desgaste impacta con una
emisión de 1.460 millones de
toneladas de CO2 con un
costos de 450,000 millones de
euros a corto plazo. Renteria et
al. (2015)
Proyecto de investigación
Cronograma 17-O
Objetivos e Hipótesis
Introducción
Método Experimental
Resultados
Conclusiones
Agradecimientos 1
Adhesivo
Abrasivo
Erosivo
Químico
Fatiga
Pin on Disc
Fretting
Scratch
Ball cratering
Rueda vulcanizada
Ball cratering o cráter de bola:
Primer técnica de abrasión fue
Mikhail Lomonosov (1745 a 1765)
que consistió en girar una piedra
afilada sobre los materiales
Brinell (1921) optimizo el mecanismo
al cambiar la piedra por una rueda de
acero duro.
Haworth (1949) refino el mecanismo
al agregar goma a la rueda.
Grodzinski realizo la primer prueba
de micro abrasión o ball cratering, con
una bola de acero fundido de 1
pulgada de diámetro y aplicando
diamante como material abrasivo.
Desgaste
K.L. Rutherford et al. (1997); Bowden y Tabor (1973)
Proyecto de investigación
Cronograma 17-O
Objetivos e Hipótesis
Introducción
Método Experimental
Resultados
Conclusiones
Agradecimientos 2
Contacto Hertziano o Presión de Contacto
Proyecto de investigación
Cronograma 17-O
Objetivos e Hipótesis
Introducción
Método Experimental
Resultados
Conclusiones
Agradecimientos
DinámicoEstático
Ball cratering Ball on disc - reciprocanteEsfera sobre esfera Esfera sobre plano Esfera sobre copa
Cilindro sobre cilindro Cilindro sobre Plano Cilindro dentro de cilindro
Y. Kayali et al. (2011), Ibrahim Gunes et al. (2016),
A.P. Krelling et al. (2017)
3
Proyecto de investigación
Cronograma 17-O
Objetivos e Hipótesis
Introducción
Método Experimental
Resultados
Conclusiones
Agradecimientos
Se realizaron los tratamientos a de boro a tres
temperaturas y tres tiempos de incubación.
Se caracteriza la capa por MEB, EDS, nanoindentación y
DRX, así mismo se establece el Coeficiente de difusión,
teniendo capas de 27 a 180 µm con una morfología
aserrada.
Se realizan ensayos de ball on disc, evidenciando el
coeficiente de fricción que se encuentra en un rango de
0.49 a 0.62, se estudia la rugosidad Ra de 0.352 a 0.965
µm, se caracterizan las huellas por MEB, MO,
Perfilómetro Óptica y se modifica un modelo
matemático para predecir el desgaste para asperezas.
4
Preparación de
muestras
Limpieza de
superficie
RugosidadCaracterización PO,
MEB y Software de
imagen.
Análisis
2N
5N
Ball Cratering en
seco y 10, 40 y 80 g
de SiC
40, 80, 160 y
240 m
Proyecto de investigación
Cronograma 17-O
Objetivos e Hipótesis
Introducción
Método Experimental
Resultados
Conclusiones
Agradecimientos 5
Solo material base, no se presentan resultados de los recubrimientos
Proyecto de investigación
Cronograma 17-O
Objetivos e Hipótesis
Introducción
Método Experimental
Resultados
Conclusiones
Agradecimientos 6
Material Base a 2N de carga con
condiciones en seco, a) 40, b)80,
c)160 y d)240 m, flecha roja indica
la oxidación, flecha verde indica el
desgaste de dos cuerpos.
Proyecto de investigación
Cronograma 17-O
Objetivos e Hipótesis
Introducción
Método Experimental
Resultados
Conclusiones
Agradecimientos
500 µm 500 µm
500 µm 500 µm
7
Material Base a 5N de carga con
condiciones en seco, a) 40, b)80,
c)160 y d)240 m, flecha roja indica
la oxidación, flecha verde indica el
desgaste de dos cuerpos.
Proyecto de investigación
Cronograma 17-O
Objetivos e Hipótesis
Introducción
Método Experimental
Resultados
Conclusiones
Agradecimientos
500 µm
500 µm
500 µm
500 µm
8
EDS de muestra en seco, se evidencia la presencia de óxido, a) perfil cualitativo de la
concentración de oxígeno, b) zona de análisis, c) mapa de oxígeno, d) mapa del hierro.
Proyecto de investigación
Cronograma 17-O
Objetivos e Hipótesis
Introducción
Método Experimental
Resultados
Conclusiones
Agradecimientos
Mecanismo de desgaste adhesivo,
flecha verde indica las marcas de
arado, flecha roja muestra material
adherido.
Oxigeno Hierro
50 µm
100 µm
9
Cráteres de desgaste para el material base a 2N de carga con 10 gr de SiC, a) 40, b) 80, c) 160 y d)
240 m, flechas blancas indican la banda de material a desgaste de dos cuerpos.
Proyecto de investigación
Cronograma 17-O
Objetivos e Hipótesis
Introducción
Método Experimental
Resultados
Conclusiones
Agradecimientos
500 µm 500 µm
500 µm 1 mm
10
Cráteres de desgaste para el material base a 5N de carga con 10 gr de SiC, a) 40, b) 80, c) 160
y d) 240 m, flechas blancas indican la banda de material a desgaste de dos cuerpos.
Proyecto de investigación
Cronograma 17-O
Objetivos e Hipótesis
Introducción
Método Experimental
Resultados
Conclusiones
Agradecimientos
500 µm 500 µm
500 µm 1 mm
11
Cráteres de desgaste para el material base a 2N de carga con 40 gr de SiC, a) 40, b) 80, c) 160
y d) 240 m, flechas blancas indican la banda de material a desgaste de dos cuerpos.
Proyecto de investigación
Cronograma 17-O
Objetivos e Hipótesis
Introducción
Método Experimental
Resultados
Conclusiones
Agradecimientos
500 µm 500 µm
500 µm 1 mm
??
?
12
Cráteres de desgaste para el material base a 5N de carga con 40 gr de SiC, a) 40, b) 80, c) 160
y d) 240 m.
Proyecto de investigación
Cronograma 17-O
Objetivos e Hipótesis
Introducción
Método Experimental
Resultados
Conclusiones
Agradecimientos
500 µm 500 µm
500 µm 1 mm
13
Cráteres de desgaste para el material base a 2N de carga con 80 gr de SiC, a) 40, b) 80, c) 160
y d) 240 m, no existe la banda media.
Proyecto de investigación
Cronograma 17-O
Objetivos e Hipótesis
Introducción
Método Experimental
Resultados
Conclusiones
Agradecimientos
500 µm500 µm
1 mm 1 mm
14
Cráteres de desgaste para el material base a 5N de carga con 80 gr de SiC, a) 40, b) 80, c) 160
y d) 240 m, no existe la banda media.
Proyecto de investigación
Cronograma 17-O
Objetivos e Hipótesis
Introducción
Método Experimental
Resultados
Conclusiones
Agradecimientos
500 µm 500 µm
500 µm 1 mm
15
Morfología del cráter a 160 m de deslizamiento con 80 g de
SiC con una carga de 5N, a) imagen con filtro de electrones
secundarios, b) imagen con filtro de electrones retro
dispersados con topo, c) perfil que evidencia la presencia de
Si y d) análisis cualitativo de la ubicación en la concentración
de Si.
a) b) c)
d)
Proyecto de investigación
Cronograma 17-O
Objetivos e Hipótesis
Introducción
Método Experimental
Resultados
Conclusiones
Agradecimientos 16
a) b)
d)
Proyecto de investigación
Cronograma 17-O
Objetivos e Hipótesis
Introducción
Método Experimental
Resultados
Conclusiones
Agradecimientos
Huella con un deslizamiento de 240
m, 10 g de SiC y una carga de 2N,
morfología de picadura por el
desgaste de rodadura.
Mecanismo de desgaste
17
Comportamiento del diámetro del cráter
para concentraciones de material abrasivo de
a) 10, b) 40 y c) 80 g de SiC.
Proyecto de investigación
Cronograma 17-O
Objetivos e Hipótesis
Introducción
Método Experimental
Resultados
Conclusiones
Agradecimientos
a) b)
c)
18
Diámetro en un
rango de 0.7 a 3 mm
para todo el estudio
Comportamiento de la profundidad de
desgaste por concentración de SiC, a) 10, b)
40 y c) 80 g
Proyecto de investigación
Cronograma 17-O
Objetivos e Hipótesis
Introducción
Método Experimental
Resultados
Conclusiones
Agradecimientos
a) b)
c)
19
Profundidad en un
rango de 3 a 90 µm
para todo el estudio
Comportamiento del volumen de desgaste
por concentración de SiC, a) 10, b) 40 y c)
80 g.
Proyecto de investigación
Cronograma 17-O
Objetivos e Hipótesis
Introducción
Método Experimental
Resultados
Conclusiones
Agradecimientos
a) b)
c)
20
Desgaste en un rango
de 0.0005 a 0.22 mm³
para este estudio.
Comportamiento del volumen y presión de contacto en otras investigaciones
Proyecto de investigación
Cronograma 17-O
Objetivos e Hipótesis
Introducción
Método Experimental
Resultados
Conclusiones
Agradecimientos 21
L.M. Vilhena et al. (2016), estudia el desgaste en un recubrimiento de
carburo de tungsteno en un acero AISI 304, atribuye la banda
media a la alta presión de contacto pero sus estudios están realizados
a una carga con un deslizamiento máximo de 8 metros.
F. Fernandes et al. (2012) presenta un
comportamiento parecido al de este trabajo,
encuentran a banda media y tienen un desgaste
mayor a menores cargas, cambian el volumen del
material abrasivo para una experimentación de un
recubrimiento de Níquel en un acero gris, para
cargas bajas en un deslizamiento de hasta 15 metros
Tasa de desgaste por carga, a) 2N y b) 5N
Proyecto de investigación
Cronograma 17-O
Objetivos e Hipótesis
Introducción
Método Experimental
Resultados
Conclusiones
Agradecimientos
a) b)
22
Tasa de desgaste por carga, a) 2N y b) 5N
Proyecto de investigación
Cronograma 17-O
Objetivos e Hipótesis
Introducción
Método Experimental
Resultados
Conclusiones
Agradecimientos
Huella que no presenta la banda media pero
por ser de bajos ciclos cierta cantidad de
desgaste es dependiente a la banda media.
Tasas de desgaste de huellas que presentan la
banda media.
Dónde: S es la distancia total del
deslizamiento de la esfera respecto a la
muestra; N es la fuerza normal entre la esfera
y la muestra; V es el volumen desgastado en
la muestra; K es el coeficiente de desgaste; R
es el radio de la esfera y b es el diámetro
externo del cráter que se formó en la muestra.A. Ramalho (2017)
23
Huellas de desgaste representativas
en el ensayo de ball cratering, a) 40,
b) 80, c) 160 y d) 240 m con carga
de 2 N
Proyecto de investigación
Cronograma 17-O
Objetivos e Hipótesis
Introducción
Método Experimental
Resultados
Conclusiones
Agradecimientos 24
Conclusiones
Se tendrá un desgaste dependiente del contacto hertziano y el tamaño de la banda media.
Existen dos fenómenos de desgaste, desgaste abrasivo y adhesivo, para la parte media se
tiene un desgaste adhesivo, para la parte alrededor de la banda media se tiene un desgaste
abrasivo de dos y tres cuerpos para todas las huellas de cráter.
El desgaste será menor con la presencia de la banda media a cargas altas comparado a
cargas bajas, en la posterior eliminación de la banda media se tendrá un desgaste
dependiente de la carga.
A mayor concentración de SiC se tendrá un mayor desgaste por el aumento de las
interacciones de las partículas.
Proyecto de investigación
Cronograma 17-O
Objetivos e Hipótesis
Introducción
Método Experimental
Resultados
Conclusiones
Agradecimientos 25
En este estudio se observa la forma de desgaste de la banda media de las huellas de cráter,
hasta el momento no se había estudiado o establecido en experimentaciones por ball
cratering.
Por ultimo, se establece que el contacto hertziano afectara el tipo de desgaste, afectando la
tasa de desgaste, teniendo una presión de contacto de 265 MPa para 2 N de carga y de 368
MPa para la carga de 5N.
Proyecto de investigación
Cronograma 17-O
Objetivos e Hipótesis
Introducción
Método Experimental
Resultados
Conclusiones
Agradecimientos 26
Agradecimientos
Se agradece al Dr. Ernesto David García Bustos y al Dr. Martin Flores Martínez de la U.
de G. por permitirme utilizar los equipos de ball cratering y ball on disc, al Dr. Stephen Muhl
Saunders del IIM de la UNAM por apoyarme con el perfilómetro óptico, al Mtro. Víctor
Jorge Cortes Suarez del área de materiales y metalurgia de la UAM por la disponibilidad y
apoyo para utilizar los equipos, a la Dra. Dulce Viridiana Melo Máximo del Tecnológico de
Monterrey por permitirme utilizar el MEB y equipo de rugosidad.
Proyecto de investigación
Cronograma 17-O
Objetivos e Hipótesis
Introducción
Método Experimental
Resultados
Conclusiones
Agradecimientos
Referencias[1] T. t. Laboratory, LEHIGH University, Lehigh University, [En línea]. Available: http://www.lehigh.edu/~intribos/energy.html. [Último acceso: 26 12 2015].
[2] R. T. RENTERÍA, am, Compañía Periodística Meridiano S.A de C.V, 11 11 2015. [En línea]. Available: http://www.am.com.mx/m/valoragregado/expande-mercados-industria-del-papel-242563.html.
[Último acceso: 27 12 2015].
[3] K. Holmberg y A. Erdemir, Influence of tribology on global energy consumption, costs and emissions, Friction, Vol. 5, num. 3, pp. 263 – 284, (2017)
[4] K.L. Rutherford e I.M. Hutchings, Theory and Application of a Micro-Scale Abrasive Wear Test, Journal of Testing and Evaluation, JTEVA, vol. 25, num. 2, pp. 250-260, (1997).
[5] Friction an introduction to tribology, autor Bowden y Tabor, editorial Anchor books, edición 1, año de publicación (1973).
[6] D. Klaffke, Tribological behavior of Me:CH coating on steel against steel in the case of osci-llating sliding motion at room temperature, diamond films and technology, vol. 3, nº 3, pp. 149 – 165, (1994).
[7] Z. hua, G. hua, X. Jia , W. Fei , Y. lei , W. cai, Z. Liang, W. Jiang and Jonathan Q., Y. Chang, Dry wear behavior of rheo-casting Al−16Si−4Cu−0.5Mg alloy, Trans. Nonferrous Met. Soc. China Vol. 26,
pp. 2818−2829, (2016)
[8] M.G. GeeU and M.J. Wicks, Ball cráter testing for the measurement of the unlubricated sliding wear of wear-resistant coatings, Surface and Coatings Technology, vol. 133-134, pp. 376-382, (2000).
[9] A.L. Bandeira, R. Trentin, C. Aguzzoli, M.E.H. Maia da Costa, A.F. Michels, I.J.R. Baumvol, M.C.M. Farias and C.A. Figueroa, Sliding wear and friction behavior of CrN-coating in ethanol and oil–
ethanol mixture, wear, Vol. 301, num, 1-2, pp. 786-794, (2013).
[10] R.I. Trezona y I.M. Hutchings, Three-body abrasive wear testing of soft materials, Wear, vol. 233–235, pp. 209–221, (1999).
[11] L.M. Vilhena, C.M. Fernandes, E. Soares, J. Sacramento, A.M.R. Senos y A. Ramalho, Abrasive wear resistance of WC–Co and WC–AISI 304composites by ball-cratering method, Wear, vol. 346-347,
pp. 99–107, (2016).
[12] F. Fernandes , A. Ramalho, A. Loureiro y A. Cavaleiro, Mapping the micro-abrasion resistance of a Ni-based coating deposited by PTA on gray cast iron, Wear, vol. 292–293, pp. 151–158, (2012).
[13] R.C. Cozza, D.K. Tanaka y R.M. Souza, Friction coefficient and abrasive wear modes in ball-cratering tests conducted at constant normal force and constant pressure—Preliminary results, Wear, vol.
267, pp. 61–70, (2009).
[14] R.C. Cozza, Effect of pressure on abrasive wear mode transitions in micro-abrasive wear tests of WC-Co P20. Tribol Int, vol. 57, pp. 266-271 (2013).
[15] Z. Wang , Y. Lia , W. Huang, X. Chen y H. He, Micro-abrasion–corrosion behaviour of a biomedical Ti–25Nb–3Mo–3Zr–2Sn alloy in simulated physiological fluidJournal of the Mechanical Behavior of
Biomedical Materials, vol. 63, pp. 361-374, (2016).
[16] M.M. Stack y M. Mathew, Micro-abrasion transitions of metallic materials, Wear, vol. 255, pp. 14–22, (2003).
Análisis y experimentación pendiente
Debido a la disponibilidad del equipo y excesivo tiempo en la experimentación, falta por
completar:
• Análisis de desgaste, profundidad, diámetro y tasa de desgaste para la condición en seco.
• Determinar el peso del slurry para la condiciones de 40 y 80 g de concentración de SiC.
• Establecer el movimiento y densidad del slurry.
• Realizar ensayos con agua desmineralizada (sin slurry) para determinar como afecta la
característica de corrosión.
• Establecer el tipo de contacto (conformado o no conformado) por tener un ambiente
lubricado.
• Realizar análisis de regresión lineal para todas las tendencias.
Se publica articulo de investigación en revista de alto impacto de los avances de los primeros dos
trimestres
Se publica articulo de investigación en revista online de los avances del primer trimestre
Se acepta avance de
actividades del
trimestre 5 para su
presentación en el
congreso de
ICMCTF que se
llevara a cabo en San
Diego California
USA 23 a 27 de
Abril del 2018, con
posible publicación
en revista Thin Films
de El Sevier
Se acepta avance de
actividades hasta este
trimestre para ser
presentado en la red
REDISYT, red nacional de
Superficies y Tribología, en
su reunión anual (7 y 8 de
diciembre)
Gracias por su atención