desgaste abrasivo de materiales
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Universidad de Santiago de Chile
Facultad de Ingeniería
Departamento de Metalurgia
Experimental Nº1
“Desgaste abrasivo de materiales”
Nombre MaximilianoAlvarez
NicoleMiranda
CristianPenroz
Autoevaluación
Maximiliano
Alvarez
- D D D
Nicole Miranda D - D D
Cristian Penroz D D - D
Profesor: Santiago Riveros
Ayudante: Alexis Romo
Asignatura: Aceros
Alumnos: Maximiliano Alvarez
Nicole Miranda
Cristian Penroz
Fecha de entrega: 9 de Mayo de 2016
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INDICE
1. OBJETIVOS .................................................................................................................. 41.1. Objetivos Generales ................................................................................................ 4
2. INTRODUCCIÓN TEÓRICA ..................................................................................... 52.1. Desgaste abrasivo ................................................................................................... 5
Factores que influyen en el desgaste .................................................................... 52.2. Norma G65............................................................................................................. 6
2.3. Máquina del Ensayo de desgaste ............................................................................. 8 2.4 Procedimiento Ensayo de desgaste según Norma ASTM G65 .................................. 9
3. DESARROLLO DE LA EXPERIENCIA ................................................................... 10
3.1. Materiales Utilizados: ........................................................................................... 10
3.2. Procedimiento Experimental ................................................................................. 10 4. RESULTADOS ........................................................................................................... 12
4.1. Tablas ................................................................................................................... 12 4.2. Gráficos ................................................................................................................ 13 4.3. Microestructuras .................................................................................................. 15
4.4. Porcentaje de Carburos ......................................................................................... 18
4.4.1. Formula Maratray ...................................................................................... 18
5. DISCUSIÓN ............................................................................................................... 19
6. CONCLUSIÓN .......................................................................................................... 227. BIBLIOGRAFIA ......................................................................................................... 23
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1. OBJETIVOS
1.1. Objetivos Generales
Medir la resistencia al desgaste en forma comparativa.
Analizar la influencia de la microestructura de suministro.
Influencia de la variables metalúrgicas (fases, carburos (tipo, volumen)) y
dureza en la resistencia al desgaste.
Aplicaciones del ensayo en otros tipos de aceros.
Parámetros a considerar antes y durante el ensayo.
Comparación paralela entre los materiales estudiados (acero antiabrasivo
v/s fundición blanca).
Evaluación del porcentaje de carburos con el programa Image J.
Comparación porcentaje de carburo Image J v/s Ec. de Maratray.
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2. INTRODUCCIÓN TEÓRICA
2.1. Desgaste abrasivo
El desgaste abrasivo involucra el choque de superficies a través de interfase entre
sus superficies,este es causado por materiales no metálicos como pueden ser
alumina, sílice, etc. los cuales hacen perder materia al metal, esto conlleva al
material metálico a un déficit en sus propiedades tanto mecánico como de
corrosión, es por esto lo importancia de poder predecir fenómenos de abrasión en
el tiempo.
El desgaste abrasivo es directamente proporcional a los factores como la carga y el
número de vueltas, e inversamente proporcional a la dureza del material.
Factores que influyen en el desgaste
Tamaño de la partícula
Peso de la partícula
Forma de la partícula
Dureza de las partículas
Textura de la partícula
Angulo de ataque
Condiciones de medio de trabajo
Afectan en el desgaste la microestructura, la composición química y los carburos
presentes.En ciertos casos la variable velocidad también afecta en el desgaste
producto que los tiempos son los que controlan parte de esta variable.
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El material que presenta mayor resistencia a la abrasión tendrá menor perdida de
volumen. Si se conoce la densidad del material se puede determinar la masa de
perdida.
Perdida de volumen (mm3) =
* 1000
2.2. Norma G65
Método de prueba para medir la abrasión con equipos de ruedas de arena
seca/caucho. Este método de prueba, aprobado originalmente en 1980 y que está
bajo la jurisdicción del Sub comité 602.30 sobre desgaste abrasivo, se refiere a la
abrasión por arena, una de las mayores preocupaciones en la industria de
materiales y el procesamiento de materiales a granel.
Este método de prueba abarca cinco procedimientos recomendados que son
apropiadas para grados específicos de resistencia al desgaste o espesor del material
de prueba.
Procedimiento A: Esta es una prueba que particularmente se enfoca a laclasificación de los materiales con resistencia a la abrasión media a extrema.
Procedimiento B: es una pequeña variación de Procedimiento A. Puede ser
utilizado para los materiales muy resistentes a la abrasión, pero es
particularmente útil en los materiales bajos y medios resistentes a la
abrasión. Este procedimiento debe utilizarse cuando el volumen de la
pérdida tiene valores superiores a 100 mm3.
Procedimiento C: Es un procedimiento para el uso en capas finas.
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Procedimiento D: Esta es una variación de carga más ligera de un
procedimiento que es particularmente útil en la clasificación de los
materiales de baja resistencia a la abrasión. También se utiliza en materiales
de clasificación de un tipo genérico o materiales específicos de lo que seríamuy cerca de los tipos de volumen de la pérdida desarrollado por
procedimiento A.
Procedimiento E: La variación de Procedimiento B que es útil en la
clasificación de los materiales con medio o baja resistencia a la abrasión.
Tabla 2.1. Condiciones estándar para el ensayo de abrasión ASTM G65.
ProcedimientoFuerza sobre la probeta
(N)
Revoluciones del
disco (rpm)
Abrasión lineal
(m)
A 130 6000 4309
B 130 2000 1436
C 130 100 71,8
D 45 6000 4309
E 130 1000 718
El tiempo de la prueba depende del procedimiento, en el caso de los
procedimientos A y D el tiempo es 30 minutos, el procedimiento B el tiempo es de
10 minutos, 5 minutos para el procedimiento E y finalmente para el procedimiento
C es de 30 segundos, pero estos tiempos dependerá de la velocidad real de la
rueda, por lo que el parámetro de control real son las revoluciones de la rueda y no
el tiempo.
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2.3. Máquina del Ensayo de desgaste
Figura 2.1. Esquema aparato de abrasión
Materiales que son importante: el recipiente donde se ubica el material abrasivo
(tolva), disco con un revestimiento de caucho normado y un brazo que tenga una
distancia adecuada para otorgar la fuerza necesaria al entregar presión del
desgaste.
La rueda está compuesta por un disco de acero y un caucho, la dureza optima de la
goma A60 (rango aceptable 58-62Rc), para saber la masa de la perdida de la
probeta. Para saber si está midiendo bien es necesario que cumpla los patrones
establecidos por la norma.
El abrasivo utilizado será una arena de cuarzo de grano redondo tipificada por
AFS 50/70. Conviene que sean granos redondos y no aristas para que el desgaste
sea uniforme.
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El ensayo se puede realizar en húmedo, lo cual creara una pulpa; por lo cual al
estar en un ambiente corrosivo y presencia de poco elementos anticorrosivos
producirá que el agua afecte en el ensayo.
2.4 Procedimiento Ensayo de desgaste según Norma ASTM G65
La prueba de desgaste consiste en instalar una probeta (espécimen) estandarizada
de (25x25x70 mm) con una dureza de 53 Rc (575 HV), en la cual se hace escurrir
arena entre el la goma que recubre al disco y la probeta, además el disco gira a una
velocidad constante con lo cual la arena genera un desgaste abrasivo de la probeta,el procedimiento es el siguiente:
Limpiar la probeta a probar con un solvente (agua y alcohol) y secar.
Masar la probeta en una balanza con resolución de 0.001 (gr) y conservar el
valor.
Instalar y asegurar la probeta en el brazo de la máquina para que no se
mueva durante la prueba.
Fijar el flujo de arena.
Hacer girar el disco durante el tiempo de prueba
Sacar la probeta, limpiarla con un solvente y medir masa nuevamente.
Calcular la diferencia en masa que se obtuvo.
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3. DESARROLLO DE LA EXPERIENCIA
3.1. Materiales Utilizados:
Acero resistente a la abrasión M3
Acero resistente a la abrasión M5
Ergotem Hardfacing (fundición blanca)
Máquina de ensayo de desgaste, según norma ASTM G65
Cuarzo (arena)
Lijas
Maquina pulidora
Microscopio óptico
Balanza digital
3.2. Procedimiento Experimental
Los ensayos realizados en la empresa Küpfer Hnos., se llevaron a cabo con la
finalidad de medir el volumen perdido por cada probeta mediante el ensayo de
abrasión. Para realizar los ensayos de desgaste además de necesitar la máquina
según especificaciones de la norma ASTM G65, también se requirió de un abrasivo,
donde se utilizó cuarzo que tenía una granulometría que se encontraba en el rango
de 50 a 70 AFS, con lo que cumple con la especificación normada.
Tanto para el M5, M3 (aceros resistentes a la abrasión) y Ergotem Hardfacing
(fundición) se empleó el procedimiento B, el cual tiene un tiempo de duración de
10 minutos.Para Ergotem Hardfacing se debería haber realizarlo en 30 minutos, es decir, el
procedimiento A, pero como el desgaste es lineal en el tiempo se realizó en 10
minutos. Cuando se obtenga la masa perdida esta se deberá multiplicar por 3, de
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esta manera obtendremos la masa perdida si se hubiera realizado el procedimiento
A (30 minutos).Se realizó el ensayo de desgaste para estas 3 probetas tal como se
detalla en la base teórica de este informe. Una vez terminado el ensayo se calculó la
pérdida de masa tanto en gramos como en mm3
.Posteriormente las probetas en el laboratorio de Metalurgia fueron lijadas, pulidas
y atacadas, los aceros con Nital y la fundición blanca con Vilella, para
posteriormente obtener tanto sus micrografías como sus durezas. También se
procedió a llevar las probetas a SimetUSACH para que se le efectuaran los
respectivos análisis químicos (chispazo).
Los resultados del análisis químico realizado por Simet eran erróneos, por lo que
se enviaron las probetas a la empresa Proacer, para que se le realizara nuevamente
análisis químico.
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4. RESULTADOS
4.1. Tablas
Tabla 4.1. Masas.
ProbetasMasa inicial
(g)Masa final
(g)Masa perdida
(g)Volumen perdido
(mm3)
M3 157,092 156,564 0,528 67,261
M5 158,350 157,746 0,604 76,943
ErgotemHardfacing 223,143 223,135 0,008*3 3,057
Tabla 4.2. Durezas obtenidas.
Probetas Durezas Promedio
M3 47,4 Rc 46,6 Rc 46,4 Rc 46,8 Rc
M5 48 Rc 48 Rc 48,5 Rc 48,17Rc
Ergotem Hardfacing 55Rc 55Rc 55Rc 55Rc
Tabla 4.3. Análisis químico.
Aleación %C %Si %Mn %Fe %B %Cr %Ni %Mo
M3 0,21 0,24 0,65 97,94 0,0006 0,58 0,12 0,032
M5 0,19 0,63 0,86 96,97 0,0009 0,82 0,08 0,142
ErgotemHardfacing >5,16 0,00 2,73 53,4 0,032 37,19 0,17 0,037
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4.2. Gráficos
Figura 4.1. Gráfico Dureza.
Figura 4.2. Gráfico Masas.
42
44
46
48
50
52
54
56
M3 M5 Ergotem Hardface
D u r e z a ( R c )
Probetas
Dureza (Rc)
0
50
100
150
200
250
M3 M5 Ergotem
Hardface
M a s a ( g )
Probetas
Masas (g)
Masa inicial (g)
Masa final (g)
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Figura 4.3. Gráfico Masas perdidas.
Figura 4.4. Gráfico Volúmenes perdidos.
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
M3 M5 Ergotem Hardface
M a s a ( g )
Probetas
Masa perdida (g)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
M3 M5 Ergotem
Hardface
V o l u m e n ( m m 3 )
Probetas
Volumen perdido (mm3)
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4.3. Microestructuras
M3 M5
Ergotem Hardfacing
Figura 4.3.1.M3 es un acero resistente a la abrasión, sin ataque, aumento x100. M5
acero resistente a la abrasión, sin ataque, aumento x100 en ambas aleaciones se
logran ver pequeñas inclusiones no metalices del tipo D fino (óxidos globulares) decantidad 1 y 2 según plantilla ASTM E15. Ergotem Hardfacing una fundición
blanca, sin ataque, aumento x100, se logran ver pequeñas inclusiones en la matriz
tipo D fino (2), y carburos los cuales propagan grietas, producidas en la
solidificación.
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M3 M5
Ergotem Hardfacing
Figura 4.3.2.M3 es un acero resistente a la abrasión, el cual fue atacado con nital,
presenta un aumento x100. M5 también es un acero resistente a la abrasión, el cual
fue atacado con nital, presenta un aumento x100. Ambas muestras M3 y M5muestran una microestructura similar de martensita revenida. Ergotem Hardfacing
atacada con vilella, aumento x100, donde se nota una estructura de fundición
blanca, martensita y ledeburita con carburos de Cromo.
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M3 M5
Ergotem Hardfacing
Figura 4.3.3.M3, atacado con nital, aumento x500 se puede notar la estructura
martensitica revenida de mejor forma debido al mayor aumento de la imagen. M5,
atacado con nital, aumento x500 se nota estructura martensitica revenida. Ergotem
Hardfacing , la cual fue atacada con vilella, presenta un aumento x500 y se puede
notar la estructura ledeburita.
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4.4. Porcentaje de Carburos
4.4.1. Formula Maratray
% de Contenido de Carburos (CC) = 12.33 % C + 0.55 % Cr – 15.2
Tabla 4.4. Porcentaje de Carburos según formula Maratray.
%C %Cr %Carburos
M3 0,21 0,58 -12,2917
M5 0,19 0,82 -12,4063
Ergotem Hardfacing 5,16 37,19 68,8773
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5. DISCUSIÓN
Entre los dos aceros, la pérdida de masa y de volumen se acerca en valor, pero en
ambos tipos de datos, obviamente, se nota que el acero de la muestra 3 tiene mayor
resistencia al desgaste. Podemos verlo en la Tabla 4.1.donde las pérdidas de M3 yM5 son 67,261mm3 y 76,943mm3 respectivamente.
Con respecto a la microestructura del acero, son bastante parecidas en todos los
aumentos. Podemos decir que es una estructura martensitica primeramente, pero
que se puede deducir también que se le ha aplicado un tratamiento térmico para
obtener una martensita revenida o bien formación de bainita. Vale decir que ambas
estructuras son bastante parecidas, pero parece más asertivo hablar de martensita
revenida. Si se da énfasis en la cantidad de carbono de estas aleaciones, la
martensita de la que se habla su dureza mencionada en ambos casos es 46,8 Rc
(M3) y 48,17 Rc (M5), esta pequeña diferencia es correcta ya que las cantidades de
carbono son bastante parecidas (0,21%C en M3 y 0,19%C en M5). Vale decir que el
contenido de carbono en los aceros de este tipo de microestructura, es el principal
elemento a relacionar con la dureza.
Al ser un acero con elementos aleantes, su templabilidad es bastante por lo que lamicroestructura de martensita es posible.
La norma ASTM tiene bastantes especificaciones que no se cumplieron del todo,
como:
la humedad permitida es del 4%, y el día del ensayo el ambiente se notaba
bastante humedad pero esta no fue medida.
La arena utilizada no sabemos del todo si fue pasada por los tamices
requeridos.
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El ensayo de abrasión del acero Ergotem Hardfacing, no fue el tiempo
requerido, ya que este debió hacerse con el método A de la norma, el cual
tiene un tiempo de duración de 30 minutos, además, la arena de cuarzo no
era la indicada para este método. Se supuso un desgaste lineal de lamuestra por lo que solo se hizo en un tiempo de 10 minutos, y el resultado
de masa y volumen perdido se multiplicó por 3.
Con respecto a la fundición blanca (Ergotem Hardfacing) su dureza es de 55 Rc(en
promedio) o en su escala Brinell 560 HB, de los tres materiales fue quien obtuvo la
menor pérdida de volumen, con 3,057 mm3, en la micrografía podemos observar
que la matriz es martensitica, además tenemos la presencia de ledeburita, esta no
son provenientes de un tratamiento térmico como en el caso de los aceros M3 y
M5, ya que este material es fabricado mediante la soldadura flux core sobre una
plancha de A36,la cual forma la aleación directamente sobre el acero, también
tenemos a la vista grandes grietas, estas son características de este metal, son
producidas en la fabricación debido a la alta dureza del material.
La fórmula de maratray nos indica que la fundición blanca posee un 68,8773% de
carburos, estos son carburos de cromo provenientes del 37,19% de Cr que poseeeste material, el cromo es un gran formador de carburos y en conjunto a la
martensita y ledeburita le dan mayor resistencia al desgaste y mayor dureza en
comparación a los aceros.
Respecto a los valores de volúmenes perdidos, si hacemos una comparación entre
las dos aleaciones comparadas con el Hardfacing, con un valor promedio entre los
aceros de 72,1 mm3 y el Hardfacing de 3,057 mm3, nos da una relación de 1:23, sin
embargo, tomando los valores de dureza en los 3 materiales y realizando el mismo
razonamiento, tenemos un promedio de dureza de los aceros de 47,5 HRC y el del
Hardfacing resulto 55 HRC lo que da una razón de 1:1.2 aproximadamente. Lo que
nos da cuenta que la dureza de la aleación Hardfacing, no es un parámetro que
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6. CONCLUSIÓN
El mejor resultado del ensayo de anti abrasión es el Ergotem Hardfacing, esto por
los resultados de dureza, microestructura, y cantidad de carburos (mostrados en
los resultados del laboratorio), estos últimos, los cuales se encuentran bastante
dispersos en la matriz, ayudando a aumentar la resistencia al desgaste, brindado
por estos carburos pequeños. Incluso con el no cumplimiento al pie de la letra de la
norma como se dio cuenta en la discusión.
De las otras dos muestras, M3 y M5, podemos concluir por el análisis químico
hecho por Proacer, que se tratan ambos de aceros antiabrasivos, con diferencia en
la composición de por ejemplo los elementos Si, Mn, Cr, Ni, Mo, siendo los más
notorios, pero que sin embargo no es muy notorio en la microestructura por
ejemplo, se puede notar la misma estructura de martensita revenida pero una leve
diferencia en el tono de esta, siendo la M5 más obscura. Por lo que podemos
clasificarlos como aceros anti abrasivos del rango >400 por la dureza Brinell
(convertida desde RC) que es 444HB para M3, y 461HB para M5.
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7. BIBLIOGRAFIA
Norma ASTM G 65.
Metal Handbook, Vol. 18. Wear, Friction, etc.
Laird, G., Gundlach, R. and Rohrig, K. (2000). Abrasion-resistant cast ironhandbook. Des Plaines, Ill.: American Foundry Society.
Santiago Riveros. (2004). Aceros Antiabrasivos. Medición del Índice deEndurecimiento Meyer y Predicción del Endurecimiento Adicional en UsoSegún Técnica de Tabor, de CONGRESO CONAMET/SAM 2004 Sitio web:http://www.materiales-sam.org.ar/sitio/biblioteca/laserena/182.pdf