UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO - PDF Free Download (2024)

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1 UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA MECANICA EFECTOS DE LOS TRATAMIENTOS TERMICOS APLICADOS AL ACERO ASTM A182, SOBRE EL DESGASTE DESLIZANTE SECO, BAJO DISTINTAS CONDICIONES DE ENSAYO Y SU RELACION CON LA MICROESTRUCTURA. TESIS PARA OBTENER EL TITULO PROFESIONAL DE INGENIERO MECANICO AUTOR: Br. LANDER ISIDRO AVALOS COLLANTES ASESOR: Dr. VÍCTOR MANUEL ALCÁNTARA ALZA. TRUJILLO- PERU

2 DEDICATORIA A Dios, por permitirme llegar a este momento tan especial en mi vida. Por los Triunfos y los momentos difíciles que me han enseñado a valorarlo cada día más, A mi madre por ser la persona que me ha acompañado durante todo mi trayecto Estudiantil y de vida, a mi pareja y a mi hermosa hija quienes han velado por mi durante este arduo camino para convertirme en un profesional. A mi padre quien con sus consejos ha sabido guiarme para culminar mi carrera profesional. A mis profesores, gracias por su tiempo, por su apoyo, así como por la sabiduría que me transmitieron en el desarrollo de mi formación profesional. 2

3 AGRADECIMIENTOS : Al Dr. Ing. Víctor Manuel Alcántara Alza, por su orientación y asesoramiento incondicional en el presente trabajo de investigación y por las cátedras impartidas de Mecánica de Materiales y Procesos de fabricación durante mi formación profesional. : A todos los docentes universitarios que contribuyeron en mi formación académicoprofesional, de manera especial a los docentes del área de materiales y procesos. : A mi Alma Mater, la Universidad Nacional de Trujillo, por haberme albergado en mi vida universitaria, hasta verme profesional. : Al personal Administrativo, biblioteca y de servicio por su delicada participación en el funcionamiento y mantenimiento de mi alma mater. : A la empresa cemprotech donde laboro y donde me he enriquecido de todos mis conocimientos prácticos y aplicativos de mi vida profesional. : A mis amigos y colegas que me aconsejaban para seguir obteniendo logros importantes en mi vida profesional. 3

4 PRESENTACION Señores miembros del jurado. Señor Decano de la Facultad de Ingeniería (UNT) Señores Docentes de la Escuela de Ingeniería Mecánica (UNT) De conformidad a lo contemplado por la ley universitaria 30220, Art. 45. Inc 45.2, en concordancia con lo dispuesto en el Art. 133 de los Estatutos de la Universidad Nacional de Trujillo, presento a vuestra disposición, bajo la modalidad de elaboración de una TESIS, el presente trabajo de investigación titulado: EFECTOS DE LOS TRATAMIENTOS TERMICOS APLICADOS AL ACERO ASTM A182, SOBRE EL DESGASTE DESLIZANTE SECO, BAJO DISTINTAS CONDICIONES DE ENSAYO Y SU RELACION CON LA MICROESTRUCTURA Mediante el cual postulo a optar el título de Ingeniero Mecánico. El presente trabajo de investigación, conto con el asesoramiento del Dr-Ing. Víctor Alcántara Alza; y por su naturaleza, es del tipo de investigación aplicada, basada en el método experimental, habiendo seguido los pasos y procedimientos normados en la metodología de la investigación científica. Es mi deseo que los resultados, conclusiones y recomendaciones obtenidas en el presente estudio permitan ampliar los conocimientos en el área respectiva, tanto en los estudiantes de Pre-grado, como en los profesionales que ejercen la carrera de Ingeniería Mecánica. Mucho agradeceré cualquier sugerencia que ayude a enriquecer el presente trabajo. Trujillo,02 marzo del Br. Lander I. Avalos Collantes. 4

5 INDICE GENERAL DEDICATORIA 2 AGRADECIMIENTOS.3 PRESENTACIÓN.4 LISTA DE FIGURAS...8 LISTA DE TABLAS...11 RESUMEN..13 ABSTRACT 14 CAPITULO I- INTRODUCCION I.1 REALIDAD PROBLEMÁTICA...15 I.2. ANTECEDENTES 18 I.3. FORMULACION DEL PROBLEMA DE INVESTIGACION...19 I.4. HIPOTESIS...19 I.5. OBJETIVOS.20 I.5.1.OBJETIVO GENERAL..20 I.5.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS.20 I.6. JUSTIFICACION DEL ESTUDIO...20 CAPITULO II- FUNDAMENTOS TEORICOS II.1. ACEROS AL CARBONO...22 II.2. ACEROS ALEADOS..22 II.2.1. EFECTOS DE LOS ELEMENTOS DE ALEACIÓN..24 II.3. TRATAMIENTOS TERMICOS DE LOS ACEROS..25 II.3.1. TEMPLE EN ACEROS 27 II FORMACION DE MARTENSITA...27 II PROCESO DE AUSTENIZACIÓN..29 II.3.2. RECOCIDO EN ACEROS..30 5

6 II TIPOS DE RECOCIDO.32 II RECOCIDO DE GLOBULIZACIÓN 32 II RECOCIDO DE ENGROSAMIENTO DE GRANO.33 II RECOCIDO DE DIFUSIÓN O DE hom*oGENIZACIÓN..33 II RECOCIDO DE ELIMINACIÓN DE TENSIONES 33 II.3.3. NORMALIZADO EN ACEROS.34 II.4. DESGASTE DEL ACERO..37 II.4.1. TASA DE DESGASTE...37 II.4.2. MECANISMOS DE DESGASTE...37 II DESGASTE ADHESIVO.38 II TEORIA DEL DESGASTE ADHESIVO 40 II ENSAYOS DE DESGASTE Y MEDIDAS DEL DESGASTE ADHESIVO.43 II NIVELES DE ENSAYOS DE DESGASTE.44 II METODOS DE ENSAYOS DE DESGASTE EN LABORATORIO...45 II MEDICIÓN DEL DESGASTE CUANTIFICACIÓN...47 CAPITULO III-MATERIALES Y METODOS III.1. MATERIAL DE ESTUDIO...51 III.1.1. CARACTERÍSTICAS Y APLICACIONES...51 III.1.2. COMPOSICION QUÍMICA...51 III.1.3. PROPIEDADES MECANICAS ESTIMADAS..51 III.1.4. MICROESTRUCTURA DEL ACERO ASTM A III.2. EQUIPOS, INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN Y MATERIALES CONSUMIBLES USADOS EN EL EXPERIMENTO..52 III.3. DISEÑO EXPERIMENTAL..53 III.3.1. VARIABLES DE ESTUDIO..53 III.3.2. NUMERO DE ENSAYOS Y PROBETAS.54 III.4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 54 III.4.1. CONFECCION DE PROBETAS 54 III.4.2. TRATAMIENTOS TÉRMICOS.55 III.4.3. ENSAYO DE DUREZA.56 6

7 III.4.4. ENSAYO DE DESGASTE ADHESIVO 56 III MEDICION DEL DESGASTE ADHESIVO...57 III ADAPTACION DEL TORNO MHASA PARAREALIZAR EL ENSAYO DE DESGASTE SEGÚN NORMA ASTM D II EJECUCION DEL ENSAYO DE DESGASTE ADHESIVO..59 III.4.5. ENSAYOS DE MICROSCOPIA 61 CAPITULO IV-RESULTADOS Y DISCUSION IV.1. RESULTADOS DE DUREZA..63 IV.2. RESULTADOS DEL DESGASTE 64 IV.2.1. DESGASTE EN FUNCION DE LA CARGA Y TIEMPO DE ENSAYO.64 IV.2.2. DESGASTE EN FUNCION DE DISTANCIA DE DESLIZAMIENTO...64 IV.2.3. GRAFICOS DE LOS RESULTADOS DE DESGASTE...66 IV DESGASTE EN MUESTRAS RECOCIDAS.66 IV DESGASTE EN MUESTRAS NORMALIZADAS 67 IV DESGASTE EN MUESTRAS TEMPLADAS 68 IV.3. TASA DE DESGASTE EN FUNCION DEL TIEMPO...69 IV.3.1. GRAFICOS DE LAS TASAS DE DESGASTE.70 IV TASA DE DESGASTE PARA MUESTRAS RECOCIDA 70 IV TASAS DE DESGASTE PARA MUESTRAS NORMALIZADAS...71 IV TASAS DE DESGASTE PARA MUESTRAS TEMPLADAS...72 IV.4. RESULTADOS DE DESGASTE MANTENIENDO LA CARGA CONSTANTE...73 IV.4.1. CURVAS DE DESGASTE PARA CARGA CONSTANTE.74 IV.5. TASA DE DESGASTE PARA CARGA CONSTANTE.75 IV.5.1. CURVAS DE TASA DE DESGASTE PARA CARGA CONSTANTE...76 IV.6. ANALISIS DE MICROESTRUCTURA...77 IV.6.1. MICROESTRUCTURAS CON TRATAMIENTO TERMICO SIN DESGASTE.77 IV.6.2. MICROESTRUCTURAS DE MUESTRAS RECOCIDAS CON DESGASTE...79 IV.6.3. MICROESTRUCTURAS DE MUESTRAS 7

8 NORMALIZADAS CON DESGASTE..80 IV.6.4. MICROESTRUCTURAS DE MUESTRAS TEMPLADAS CON DESGASTE...81 IV.7. DISCUSION DE RESULTADOS..82 CONCLUSIONES...86 RECOMENDACIONES.87 REFERENCIAS..88 ANEXOS.91 LISTA DE FIGURAS. Dentro del Capitulo II. Fig.II.1. Diagrama de equilibrio Hierro-Carbono. Fig. II.2. Diagrama general de transformación isotérmica de la austenita en los aceros (curva TTT). (1) Curva inicial de transformación, (2) Curva final de transformación, VCT = Velocidad crítica de temple, Ms= Curva inicial de transformación martensítica. Mf = Curva final de transformación de la martensita. Fig.II.3. Diagrama TTT para un acero al carbono Eutectoide (0,77 %C) Fig.II.4. Curvas de velocidades de enfriamiento para la construcción de un diagrama de enfriamiento continuo CCT, en un acero eutectoide. Fig. II.5. Microestructura de la martensita de un acero al carbono. Fig. II.6. Región del diagrama Fe-C mostrando el rango típico de recocido total para aceros al carbono. Fig.II.7. Estructura ferrítico-perlítica obtenida con el recocido total de un acero SAE 1040 (4% picral + 2% nital, 500x) Fig.II.8. Curso de la temperatura en la globulización Fig.II.9. Curso de temperatura en el recocido de engrosamiento del grano. Fig.II.10. Curso de temperaturas en el recocido de eliminación de tensiones. Fig.II.11. Región del diagrama Fe-C mostrando el rango típico de normalizado para los aceros al carbono. 8

9 Fig.II.12. Refinamiento de grano mediante normalizado en un acero al carbono 0.5% C. (a) En la condición de laminado o forjado con tamaño de grano ASTM 3 y (b) normalizado con tamaño de grano ASTM 6. Fig.II.13. Mecanismos de desgaste en metales: a) desgaste abrasivo de 2 cuerpos, b) desgaste abrasivo de 3 cuerpos c) desgaste por corrosión d) desgaste por corrosión por fretting (oscilante) e) desgaste por erosión, f) desgaste por fatiga. Fig. II.14. Esquema de desgaste adhesivo. Fig.II.15. Microfotografía electrónica SEM de la superficie del acero AISI 316L desgastada en forma adhesiva: (a) Sin boro (b) Con adiciones de boro a 10.8 N, 0.21 m/seg de velocidad de deslizamiento en una distancia de 6000 m. Fig.II.16. Representación esquemática un mecanismo clásico de adhesión para la generación de una partícula irregular de desgaste. Fig.II.17. Esquema de un medidor de desgaste abrasivo. Fig. II.18. Esquema de instalación en un medidor de desgaste por rodadura a) Rueda sobre rueda. b) Bloque sobre rueda. Fig. II.19. Esquema de un medidor de desgaste pin-on-disc wear test y el ordenamiento de las muestras. Fig. II.20. Tribómetro medidor de desgaste tipo: pin-on-disc, mostrando detalles de funcionamiento. Dentro del Capitulo III. Fig.III.1. Microestructura del acero ASTM A182 (estado de suministro) Fig.III.2. Esquema de relación de variables del experimento Fig.III.3. Dimensiones de las probetas para ensayo de desgaste adhesivo Fig. III.4. Probetas tratadas térmicamente antes del ensayo de desgaste adhesivo Fig.III.5. Configuración bloque sobre anillo en forma general. Fig.III.6. Medición de la probeta ensayada por perdida de dimensión lineal utilizando un micrómetro digital de exteriores 0.1 μm MDH-25M MITUTOYO. Fig.III.7. Fotografía que muestra el acoplamiento del sistema de desgaste al dispositivo Amsler. Fig.III.8. Fotografía que muestra el ensayo de desgaste deslizante, donde se muestra el montaje del equipo Amsler acoplado al torno Mhasa Fig.III.9. Secuencia de preparación de probetas para ensayos de microscopía. 9

10 Dentro del Capitulo IV. Fig. IV.1. Gráfico que muestra la dureza de las muestras para diferentes tratamientos térmicos del acero ASTM A182, sin ser sometido a ningún ensayo posterior. Fig. IV.2. Curvas de desgaste en función del tiempo para muestras recocidas de acero ASTM A182, sometidas a diferentes condiciones de carga. Fig. IV.3. Curvas de desgaste en función de la distancia recorrida para muestras recocidas de acero ASTM A182, sometidas a diferentes condiciones de carga. Fig.IV.4.Curvas de desgaste en función del tiempo para muestras normalizadas de acero ASTM A182, sometidas a diferentes condiciones de carga. Fig. IV.5. Curvas de desgaste en función de la distancia recorrida para muestras normalizadas de acero ASTM A182, sometidas a diferentes condiciones de carga. Fig. IV.6. Curvas de desgaste en función del tiempo para muestras templadas y revenidas del acero ASTM A182, sometido a diferentes condiciones de carga. Fig. IV.7. Curvas de desgaste en función de la distancia recorrida para muestras templadas y revenidas del acero ASTM A182, sometidas a diferentes condiciones de carga. Fig. IV.8. Curvas de tasa de desgaste en función del tiempo para muestras recocidas de acero ASTM A182, sometido a diferentes condiciones de carga. Fig. IV.9. Curvas de tendencia de tasa de desgaste en función del tiempo para muestras recocidas de acero ASTM A182, sometido a diferentes condiciones de carga. Fig. IV.10. Curvas de tasa de desgaste en función del tiempo para muestras normalizadas de acero ASTM A182, sometido a diferentes condiciones de carga. Fig. IV.11. Curvas de tendencia de tasa de desgaste en función del tiempo para muestras normalizadas de acero ASTM A182, sometido a diferentes condiciones de carga. Fig. IV.12. Curvas de tasa de desgaste en función del tiempo para muestras templadas en agua del acero ASTM A182, sometido a diferentes condiciones de carga. Fig. IV.13. Curvas de tendencia de tasa de desgaste en función del tiempo para muestras templadas en agua del acero ASTM A182, sometido a diferentes condiciones de carga. Fig. IV.14. Curvas de desgaste en función del tiempo de ensayo bajo una carga constante de 30 N en muestras de acero ASTM A182, sometidas a diferentes tratamientos térmicos. Fig. IV.15. Curvas de desgaste en función del tiempo de ensayo bajo una carga constante de 50 N en muestras de acero ASTM A182, sometidas a diferentes tratamientos térmicos. 10

11 Fig. IV.16. Curvas de desgaste en función del tiempo de ensayo bajo una carga constante de 100 N en muestras de acero ASTM A182, sometidas a diferentes tratamientos térmicos. Fig. IV.17. Curvas que muestran la tasa de desgaste en función del tiempo de ensayo bajo una carga constante de 30 N en muestras de acero ASTM A182, sometidas a diferentes tratamientos térmicos. Fig. IV.18. Curvas que muestran la tasa de desgaste en función del tiempo de ensayo bajo una carga constante de 50 N en muestras de acero ASTM A182, sometidas a diferentes tratamientos térmicos. Fig. IV.19. Curvas que muestran la tasa de desgaste en función del tiempo de ensayo bajo una carga constante de 100 N en muestras de acero ASTM A182, sometidas a diferentes tratamientos térmicos. Fig. IV.20. Muestras recocidas sin tratamiento posterior. Fig. IV.21. Muestras normalizadas sin tratamiento posterior. Fig. IV.22. Muestras templadas al agua sin tratamiento posterior. Fig. IV.23. Superficies desgastadas en muestras recocidas sometida a cargas: a) 30N, b) 50N, c) 100N., 300x, Nital 2% Fig. IV.24. Superficies desgastadas en muestras normalizadas sometida a cargas: a) 30N, b) 50N, c) 100N., 300x, Nital 2% Fig. IV.25. Superficies desgastadas en muestras templadas sometida a cargas: a) 30N, b) 50N, c) 100N., 400x, Nital 2% LISTA DE TABLAS. Tabla II.1. Métodos de medición de desgaste y unidades típicas para la cuantificación del desgaste. Tabla III.1. Composición química del acero ASTM A182. Tabla III.2. Propiedades mecánicas estimadas del acero ASTM A182. Tabla IV.1. Resultados de dureza de las muestras sometidas a diferentes tratamientos térmicos. Se realizaron tres (03) indectaciones por muestra. Tabla IV.2. Resultados del desgaste deslizante en muestras de acero ASTM A182, con diferentes tratamientos, en función de la carga y tiempo de ensayo. 11

12 Tabla IV.3. Resultados del desgaste deslizante en muestras de acero ASTM A182, con diferentes tratamientos, en función de la carga y la distancia recorrida por deslizamiento. Tabla IV.4. Resultados del desgaste deslizante (µm) en función del tiempo (min) en muestras de acero ASTM 182, manteniendo la carga constante. Tabla IV.5. Evaluación de la tasa de desgaste deslizante (µm) en función del tiempo (min) en muestras de acero ASTM 182, manteniendo la carga constante. 12

13 RESUMEN Se investigó el efecto de los tratamientos térmicos aplicados al acero ASTM A182, respecto al desgaste deslizante seco, bajo distintas condiciones de ensayo: carga y tiempo. El propósito fue encontrar las condiciones para lograr el menor desgaste. Se confeccionaran 54 probetas para ensayos de desgaste, según norma ASTM D2782. Luego, se dividieron en tres lotes iguales y se realizaron los tratamientos: Temple, recocido y normalizado. Todas las muestras fueron austenizadas a 1050 C durante 30 min. Para el temple el enfriamiento fue en agua. Para el normalizado se enfriaron al aire y para el recocido se hizo un enfriamiento lento en el horno. Todos los tratamientos se hicieron en el horno de mufla Thermolyne. Los ensayos de dureza se realizaron en el durómetro digital IDENTEC y las mediciones en escala Rockwell C. Los ensayos de desgaste se llevaron a cabo en el Torno MHASA adaptando el dispositivo tipo Amsler, utilizando la configuración anillo sobre bloque. Los ensayos se ejecutaron con tres variaciones de carga diferentes: 30N, 50N y 100N, a una velocidad constante de 250 rpm, y los tiempos de ensayo fueron: 10, (min). Las mediciones de desgaste se hicieron en µm. La microscopía se realizó a nivel óptico utilizando el microscopio ZEISS 1000X. Se encontró que la máxima: 47,7 HRC, corresponde a las muestras templadas, seguidas por las normalizadas con 42,7 HRC, y luego las recocidas con 39,8 HRC. El tiempo de ensayo incrementa el desgaste en todos los casos. El mayor valor de desgaste de las muestras recocidas se obtuvo con una carga de 100N, las muestras normalizadas y templadas con 50N. Estos valores nos indican que un incremento de carga no siempre implica un incremento en el desgaste. La tasa de desgaste disminuye con el tiempo en todos los casos, hasta lograr una pendiente casi horizontal (tasa constante). Las mayores tasas de desgaste se observan en las muestras recocidas y normalizadas; las muestras templadas presentan tasas muy bajas. Las muestras templadas presentan una estructura totalmente de bainita y las muestras recocidas y normalizadas, una combinación de bainita+ferrita. Este hecho indica que una combinación de bainita+ferrita, en algunos casos podría ser más resistente al desgaste que una estructura totalmente de bainita. Se concluye que la resistencia al desgaste adhesivo del acero en estudio, se relaciona de manera conjunta con las tres variables: tiempo de ensayo, carga aplicada y tratamiento térmico y no de manera aislada o parametrada. 13

14 ABSTRACT The effect of the thermal treatments applied to the ASTM A182 steel, in relation to the dry sliding wear, was investigated under different test conditions: load and time. The purpose was to find the conditions to achieve the least wear. Fifty four (54) test specimens will be made for wear tests, according to ASTM D2782. Then, they were divided into three equal lots and the treatments were performed: quenching, annealing and normalizing. All samples were austenized at 1050 C for 30 min. For quenching the cooling was in water. For the normalized, they were cooled in the air and for the annealing a slow cooling in the oven was done. All treatments were done in the Thermolyne muffle furnace. Hardness tests were performed on the IDENTEC digital durometer and the Rockwell C scale measurements. Wear tests were carried out on the MHASA Lathe by adapting the Amsler type device, using the ring-on-block configuration. The tests were run with three different load variations: 30N, 50N and 100N, at a constant speed of 250 rpm, and the test times were: 10', 20'30'40'50'60' (min). The wear measurements were made in μm. Microscopy was performed at the optical level using the ZEISS 1000X microscope. It was found that the maximum: 47.7 HRC, corresponds to the quenching samples, followed by those normalized with 42.7 HRC, and then the annealed with 39.8 HRC. The test time increases wear in all cases. The highest wear value of the annealed samples was obtained with a load of 100N, the samples normalized and tempered with 50N. These values indicate that an increase in load does not always imply an increase in wear. The wear rate decreases with time in all cases, until reaching an almost horizontal slope (constant rate). The highest wear rates are observed in annealed and normalized samples; The quenching samples have very low rates. The quenching samples have a fully bainite structure, and annealed and normalized samples, a combination of bainite + ferrite. This fact indicates that a combination of bainite + ferrite, in some cases could be more resistant to wear than a totally bainite structure. It is concluded that the adhesive wear resistance of the steel under study is related in together way to the three variables: test time, applied load and heat treatment, and not in an isolated or parameterized way. 14

15 CAPITULO I INTRODUCCION I.1. REALIDAD PROBLEMATICA Por su amplia variedad de aplicaciones, los aceros representan el grupo más importante de materiales usados en ingeniería, en comparación con otros materiales usados en las diferentes ramas del sector industrial [1]. Dentro de esta amplia variedad, tenemos un grupo de aceros ferríticos, que contienen cromo y molibdeno, que son bien conocidos por su excelente propiedades mecánicas que combinan alta resistencia mecánica a elevadas temperaturas y alta resistencia a la térmica fatiga, así como con una buena conductividad térmica, capacidad de soldadura y resistencia a la corrosión. Debido a estas características, este tipo de aceros han atraído especial interés para su aplicación en procesos industriales relacionados con la carboquímica, refinación de petróleo, gasificación del carbón y la generación de energía en centrales térmicas, donde los componentes como intercambiadores, calderas y tuberías funcionan a altas temperaturas y presiones durante largos períodos de tiempo [2, 3] Si bien, por las aplicaciones mencionadas, estos aceros exigen más propiedades térmicas y corrosivas; debemos tener en cuenta, que la productividad de las empresas siempre se ve afectada por la calidad y repetitividad de los procesos, lo que provoca un alto nivel de fricción y desgaste de los equipos y herramientas utilizadas. Los procesos tribológicos de fricción y desgaste, no pueden ser evitados, solo se pueden reducir si los conocimientos sobre esta temática se aplican durante el diseño y operación de los sistemas [4]. El desgaste se refiere a la eliminación progresiva de material de una superficie plástica y la misma deformación plástica de material en una superficie debido a la acción mecánica de la otra superficie [5]. La necesidad de un movimiento relativo entre las superficies de funcionamiento y el contacto mecánico inicial entre las asperezas, juega un rol muy importante en el desgaste mecánico en comparación con otros procesos [6]. El desgaste es actualmente considerado como la causa principal por la cual las herramientas fallan. La fricción es la causa generadora del desgaste. Sin embargo, aún y cuando esto se ha tenido claro por bastante tiempo, no ha sido sino hasta años recientes, con el advenimiento de las nuevas técnicas de experimentación y análisis, que se han logrado entender en forma más clara los fenómenos de fricción y desgaste. 15

16 En los tiempos actuales el desgaste como problema mecánico, en particular, el producido por el deslizamiento asociado al movimiento que se presenta en la mayoría de las máquinas, y herramientas es de vital importancia para la industria, en función de los grandes inconvenientes tanto técnicos como económicos que este fenómeno ocasiona. Esta situación ha llevado a plantear este tema a fin de que se analice en detalle bajo condiciones específicas controladas y con la información producida, dar una referencia desde el punto de vista de la ingeniería mecánica en el diseño y mantenimiento, así como para la correcta selección, uso y reemplazo de los materiales estudiados y, también para la ingeniería de materiales como apoyo en el análisis de fallas [7]. Los estudios de desgaste en aceros se encuentran en casi todos los sectores industriales debido a la relevancia de un fallo de la superficie, lo que puede alterar negativamente el rendimiento de las instalaciones industriales, acortar su vida útil y que comprenden los problemas de seguridad [8]. Por otro lado, la fricción y el desgaste son, respectivamente, las graves causas de la disipación de la energía y la degradación del material. El desgaste puede dar lugar a cambios en las dimensiones de los componentes o daños en la superficie causando problemas secundarios como la vibración o desalineamiento, y la propagación de grietas formadas en o cerca de una superficie tensionada, que pueden conducir a la fractura de un componente en casos extremos. La generación de partículas de desgaste puede ser más grave que los cambios dimensionales reales de componentes [9, 10]. Son muchos los factores que afectan el comportamiento al desgaste de los materiales como, el tipo del material de los componentes, la superficie del material, la forma de las superficies de contacto, la rugosidad, el medio ambiente, las condiciones de operación, etc. Pero además, el desgaste puede ser afectado en gran medida por la estructura cristalina, tamaño de grano, y los límites de grano, que se logran con los tratamientos térmicos adecuados sobre el material. Así tenemos, la presencia de los límites de grano en materiales policristalinos ejerce mucha influencia en la fricción y el comportamiento de desgaste adhesivo. Cuando se produce el movimiento de deslizamiento, las dislocaciones de la superficie se bloquean en su movimiento y se acumulan en el límite de grano, lo que da como resultado un endurecimiento por deformación de las capas superficiales. Esta acción hace que el movimiento de deslizamiento sea más difícil, aumentando la fuerza de fricción para los materiales en contacto por deslizamiento, lo que conduce al desgaste del material [11]. La microestructura es otro de los parámetros muy importantes que determinan el desgaste de los aceros; y estos cambios microestructurales se pueden lograr por diversos 16

17 procedimientos, donde los tratamientos térmicos siguen siendo una alternativa de vanguardia. Por ejemplo, en los aceros para herramientas, los carburos primarios y secundarios son las variables microestructurales clave que controlan la respuesta tribológica al desgaste [12, 13]. Todo tratamiento térmico produce cambios microestructurales. Los estudios reportan que estos cambios microestructurales, no solo guardan una estrecha relación con las propiedades mecánicas estandarizadas, sino también con las propiedades tribológicas de los materiales, y en especial con la resistencia al desgaste. Parámetros como la fracción en volumen de las fases, el área parcial de las fases, la orientación y distribución de las mismas, o la densidad de fronteras de grano han sido objeto de numerosos estudios para encontrar la relación que tiene la microestructura con el desgaste [14, 15 y 16]. Muchas veces pensamos que para incrementar la resistencia al desgaste basta con incrementar la dureza, pero hay varias situaciones que demuestran que no es así. Podemos mencionar estudios, en los cuales se compara la resistencia al desgaste de aceros para rieles con estructura perlítica contra otros con estructura martensítica. Se ha encontrado que mientras más fina es la perlita y mientras que el espaciamiento entre las laminillas sea más fino, la resistencia al desgaste es mucho mayor que si tuviéramos una estructura martensítica. Como podemos ver, la microestructura aquí juega un rol muy importante para aumentar la resistencia al desgaste [17]. El comportamiento al desgaste por deslizamiento, o desgaste adhesivo en los aceros, es un tema que ha recibido mucha atención en los últimos años; y se ha encontrado que depende de las muchas variables tales como; la carga normal aplicada sobre el material, velocidad de deslizamiento, distancia de deslizamiento, geometría de la superficie, dureza de la superficie, rugosidad de la superficie de funcionamiento, el entorno de trabajo, etc. Todos estos factores afectan al desgaste en conjunto y a los cambios en la tasa de desgaste que sufren los componentes sometidos a deslizamiento [18]. Para realizar el estudio de la influencia de los tratamientos térmicos sobre el desgaste de los aceros al Cromo-Molibdeno, hemos tomado como muestra representativa, el acero ASTM-A182, que es un tipo de material ampliamente utilizado en los tubos para recalentadorees y súper calentadores en plantas de energía térmica que experimentan erosión y cierto grado de desgaste por deslizamiento. Este material también se utiliza en los generadores de vapor que están sometidos a vibraciones inducidas por el flujo, dando como resultado daños materiales debido a la deformación producida por las vibraciones, pues a nivel de microescala se observa que estos materiales se encuentran en contacto 17

18 deslizante entre sí, lo que demuestra que estos tienen la tendencia a la fatiga inducida por el desgaste [19]. Por lo tanto el estudio de desgaste por deslizamiento es uno de los criterios esenciales para determinar la vida del material de los tubos de estos componentes térmicos del cual están hechos. Los materiales para aplicaciones térmicas, se utilizan en su mayoría en condiciones normalizadas y recocidas en las plantas de energía. Aunque éstos poseen muchas propiedades atractivas; a su vez sufren degradación en las propiedades, como resultado de la exposición a largo plazo en un ambiente agresivo y temperaturas elevadas. Por lo tanto, es interesante examinar el efecto de estas variaciones microestructurales debido a las variaciones térmicas. En este sentido se propone estudiar el efecto de los tratamientos térmicos sobre el desgaste adhesivo del acero ASTM- A182, pues; aparte de que casi no hay información sobre el tema, estos resultados experimentales, de tipo particular, serían indicadores previos del comportamiento general de los aceros al Cromo-molibdeno respecto al desgaste adhesivo. I.2. ANTECEDENTES. G. A. Fontalvo, et all, (2006) [20] realizaron un estudio sobre los aspectos microestructurales que determinan el desgaste adhesivo de los aceros para herramientas, tratando de demostrar que la adhesión puede ser reducida cambiando la microestructura de los aceros para herramientas. Las investigaciones fueron conducidas utilizando seis modelos de aleaciones basado en el acero pulvimetalúrgico de alta velocidad AISI M4, todas las aleaciones tenían la misma matriz martensitica después del tratamiento térmico. Las aleaciones presentaron contenidos de carburos del tipo MC que variaba entre 0 y 25 mol% en 5 mol% de incremento. Los experimentos de desgaste se hicieron bajo el ensayo Ball-on-disc, bajo temperatura ambiente, usando bolas de acero inoxidable austenitico. Las huellas del desgaste de los discos se caracterizaron usando un microscopio electrónico de barrido y un perfilador óptico. Los resultados mostraron 18 que dos parámetros principales son los que determinan el comportamiento de desgaste adhesivo: el contenido de carburo y la distancia entre los carburos A. Gåård, et all. (2010), [21] Estudiaron el efecto de la temperatura sobre el desgaste adhesivo en contactos de deslizamiento en seco, informando previamente que entender la influencia de la temperatura sobre los mecanismos de desgaste es necesario para el desarrollo y optimización de los materiales en los procesos de conformado. Se realizaron pruebas de desgaste en seco a diferentes velocidades de deslizamiento con lo que se

19 consiguió diferentes temperaturas superficiales debido al calor generado por la fricción. Se observó una influencia significativa de la temperatura en la adhesión y el aumento de la temperatura condujo a una mayor tendencia para la iniciación de desgaste adhesivo grave. Los resultados se compararon con las mediciones de la curva de microscopía de fuerza atómica, que muestran que la fuerza adhesiva aumenta con la temperatura. Se observó una buena concordancia entre los resultados, lo que sugiere que el mecanismo de control de las observaciones hechas en el presente trabajo concluyendo que la alta adhesión fue inducida por la temperatura. G. Rasool, Y M.M. Stack (2014), [22] Estudiaron en forma panorámica el papel que desempeña el contenido de Cr en el deslizamiento en seco de los aceros. Para lograr este objetivo se evaluaron los regímenes de desgaste por deslizamiento en dos aceros de diferente dureza, con una diferencia significativa en el contenido de cromo. Se utilizaron el acero inoxidable AISI 303 de 18,7% Cr y el acero AISI 8620 de bajo carbono y baja aleación con trazas de cromo. Los ensayos se realizaron bajo el método de pin-on-disk. Se encontró que el comportamiento al deslizamiento en seco presentado por el acero inoxidable fue dominado por el desgaste adhesivo y tribo-oxidación a relativamente bajas velocidades de deslizamiento y por el desgaste mixto y el adhesivo a altas velocidades y cargas. Por el contrario, el desgaste oxidativo fue más predominante para el acero de baja aleación. Se construyeron mapas de desgaste individuales generadas para el material de los componentes individuales es decir, de las superficie de contacto y se discutieron en el contexto de los mecanismos de desgaste observados en el contacto tribológico. Se concluye que las diferencias de la zona de tribo-oxidación observada en los mapas para el acero inoxidable en comparación con el acero de baja aleación se atribuye al papel del Cr en la reducción del proceso de desgaste oxidativo. I. 3. FORMULACION DEL PROBLEMA DE INVESTIGACION. Cómo influyen los tratamientos térmicos de temple, revenido y recocido aplicados al acero ASTM- A182, sobre la microestructura, dureza, y desgaste adhesivo bajo diferentes condiciones de tiempo y carga? I.4. HIPOTESIS. La mayor dureza será adquirida por las muestras templadas. En el caso de las muestras normalizadas y recocidas, la dureza dependerá de la estructura ferrítica perlitica que adquieran con los tratamientos. 19

20 La resistencia al desgaste dependerá de las condiciones bajo las cuales se aplique la carga y en todos los casos será mayor con el incremento de tiempo. Las muestras que presenten mayor resistencia al desgaste serán la que presenten una microestructura adecuada al deslizamiento, que no siempre son las más duras ni las que están expuestas a cargas más elevadas. I.5. OBJETIVOS. I.5.1. Objetivo General. Establecer las condiciones de tratamiento térmico, tiempo y carga, en los ensayos de desgaste adhesivo, aplicados al acero ASTM- A182, en las que se pueda obtener la mayor resistencia al desgaste, junto a la menor tasa con la que se desgasta el material. I.5.2. Objetivos específicos. 1. Establecer la correlación que guardan los tratamientos térmicos de temple, normalizado y recocido con la dureza del acero ASTM- A Cuantificar la diferencia que existe entre la resistencia al desgaste adhesivo en seco en el acero ASTM- A182, bajo distintas condiciones de tratamiento térmico 3. Cuantificar la diferencia que existe entre la resistencia al desgaste adhesivo en seco de este material bajo diferentes condiciones de carga. 4. Establecer la correlación que guarda la dureza con el desgaste adhesivo en seco. 5. Determinar el efecto que ejerce la microestructura en las propiedades tribológicas de desgaste de este material. 6. Proponer una nueva metodología para realizar ensayos de resistencia al desgaste deslizante adhesivo, con parámetros de ensayo diferentes, que semejen condiciones de servicio. 7. Relacionar los resultados de los ensayos de desgaste de este material con la microestructura obtenida antes y después del desgaste. I.6. JUSTIFICACION DEL ESTUDIO. El proyecto de investigación, se justifica en lo fundamental por dos aspectos: 1) El aspecto teórico; pues, se trata de un estudio de ciencia aplicada, y 2) En el aspecto tecnológico; pues, se han tenido que diseñar y construir equipos especiales para realizar ensayos normalizados. Los aspectos económicos y sociales son consecuencia de estos dos aspectos que describiremos: 20

21 EN LO TEORICO El estudio sería un aporte respecto a entender las propiedades y mecanismos de desgaste adhesivo en seco de este tipo de material. Por otro lado, al tratar de explicar resultados aparentemente contradictorios que se presentan en algunos casos, se contribuye a entender con más claridad el fenómeno del desgaste en aceros, fenómeno que aún no se encuentra del todo comprendido. Se lograría llenar un vacío o laguna de conocimiento. EN LO TECNOLOGICO Al utilizar como máquina de ensayo para desgaste un torno paralelo con un dispositivo acoplado tipo Amsler, que simule bajo los mismos principios a la máquina tradicional rotativa. Pin-on-disk, estamos dando un gran apoyo tecnológico para realizar este tipo de investigaciones. Mediante la caracterización de los materiales utilizados bajo condiciones preestablecidas de tratamiento térmico, se dará también un aporte tecnológico de valor útil para el diseño y fabricación de equipos con aceros de la serie ASTM- A182 cuando se sometan a condiciones que generen desgaste excesivo. Optimizar las estructuras más adecuadas, obtenida en los tratamientos, que garanticen una mejora en las propiedades de desgaste por deslizamiento, especialmente cuando se usa en la fabricación de equipos térmicos. 21

22 CAPITULO II FUNDAMENTOS TEORICOS II.1. ACEROS AL CARBONO Los aceros al carbono constituyen el más importante grupo de materiales utilizados en la ingeniería y en la industria. De hecho las propiedades mecánicas de esos aceros simplemente al carbono, sin ningún elemento de aleación, y en la mayoría de los casos también sin ningún tratamiento térmico, son suficientes para atender la mayoría de las aplicaciones prácticas. Como se sabe, los estados normales de utilización de estos materiales son el fundido y el trabajado. Las piezas fundidas requieren generalmente un tratamiento térmico de recocido o normalizado para alivio de las tensiones originadas en la solidificación y para hom*ogeneización de la microestructura. En la fig.ii.1, se puede observar el diagrama de equilibrio hierro -carbono y sus respectivos componentes. II.2. ACEROS ALEADOS Se da el nombre de aceros aleados o aceros especiales a los aceros que además de los cinco elementos: carbono, silicio, manganeso, fósforo y azufre, contienen también cantidades relativamente importantes de otros elementos como el cromo, níquel, molibdeno, etc., que sirven para mejorar alguna de sus características fundamentales. También puede considerarse aceros aleados los que contienen alguno de los cuatro elementos diferentes del carbono que antes hemos citado, en mayor cantidad que los porcentajes que normalmente suelen contener los aceros al carbono, y cuyos límites superiores suelen ser generalmente los siguientes: Si=0.50%; Mn=0.90%; P=0.100% y S=0.100%, estos son aceros especiales. En un sentido más amplio, los aceros especiales pueden contener hasta el 50% de elementos de aleación. [23] Los elementos de aleación que más frecuentemente suelen utilizarse para la fabricación de aceros aleados son: níquel, manganeso, cromo, vanadio, wolframio, molibdeno, cobalto, silicio, cobre, titanio, circonio, plomo, Selenio, aluminio, boro y Niobio. La influencia que ejercen esos elementos es muy variada, y, empleados en proporciones convenientes, se obtienen aceros con ciertas características que, en cambio, no se pueden alcanzar con los aceros ordinarios al carbono. 22

23 Utilizando aceros especiales es posible fabricar piezas de gran espesor, con resistencias muy elevadas en el interior de las mismas. En elementos de máquinas y motores se llegan a alcanzar grandes durezas con gran tenacidad. Fig.II.1. Diagrama de equilibrio Hierro-Carbono Fuente: Ref. [24] Es posible fabricar mecanismos que mantengan elevadas resistencias, aún a altas temperaturas. Hay aceros inoxidables que sirven para fabricar elementos decorativos, piezas de máquinas y herramientas, que resisten perfectamente a la acción de los agentes corrosivos. Es posible preparar troqueles de formas muy complicadas que no se deformen ni agrieten en el temple, etc. Todas estas posibilidades se deben, en términos generales, a los siguientes factores o tendencias: La tendencia que tienen ciertos elementos a disolverse en la ferrita o formar soluciones sólidas con el hierro alfa. La tendencia que en cambio tienen otros a formar carburos. La influencia de los elementos de aleación en los diagramas de equilibrio de los aceros, elevación o descenso de las temperaturas críticas de los diagramas de equilibrio y las 23

24 temperaturas Ac y Ar correspondientes a calentamientos y enfriamientos relativamente lentos, modificaciones en el contenido de carbono del acero eutectoide, Tendencia a ensanchar o disminuir los campos austeníticos o ferríticos correspondientes a los diagramas de equilibrio, y otras influencias también relacionadas con el diagrama hierro-carbono, como la tendencia a grafitizar el carbono, a modificar el tamaño del grano, etc. La influencia de los elementos aleados sobre la templabilidad. La influencia que tienen en retardar el ablandamiento que se produce en el revenido. II.2.1. EFECTOS DE LOS ELEMENTOS DE ALEACIÓN. La introducción de otros elementos de aleación se hace cuando se desea uno o varios de los siguientes efectos: a. Aumentar la dureza y la resistencia mecánica b. Conferir resistencia uniforme a través de toda la sección en piezas de grandes dimensiones. c. Disminuir el peso (consecuencia del aumento de la resistencia) de modo de reducir la inercia de una parte en movimiento o reducir la carga muerta en un vehículo o en una estructura. d. Conferir resistencia a la corrosión. e. Aumentar la resistencia al calor. f. Aumentar la resistencia al desgaste. g. Aumentar la capacidad de corte. h. Mejorar las propiedades eléctricas y magnéticas Los tres primeros requisitos son alcanzados porque los elementos de aleación aumentan la resistencia de la ferrita y forman además otros carburos, además del Fe3C, los cuales modifican el tamaño y la distribución de las partículas existentes de Fe3C, contribuyendo a mejorar la resistencia del acero sobre todo en secciones que, si se tratase de aceros al carbono común, difícilmente tendrían la resistencia alterada. Generalmente ese aumento de la resistencia es conseguido por adición de uno o varios elementos en contenidos relativamente bajos, no sobrepasando su suma el valor de 5%. En esas condiciones, los principios fundamentales de los tratamientos térmicos permanecen, porque aunque la presencia de nuevos elementos de aleación obligue a un ajuste en las temperaturas de los tratamientos, la transformación de la austenita y las estructuras resultantes son las mismas que ocurren en los aceros al carbono. [23] 24

25 II.3. TRATAMIENTOS TERMICOS DE LOS ACEROS. Los tratamientos térmicos tienen por objeto mejorar las propiedades y características de los aceros, y consisten en calentar y mantener las piezas o herramientas de acero a temperaturas adecuadas, durante un cierto tiempo y enfriarlas luego en condiciones convenientes. De esta forma, se modifica la estructura microscópica de los aceros, se verifican transformaciones físicas y a veces hay también cambios en la composición del metal. El tiempo y la temperatura son los factores principales y hay que fijarlos siempre de antemano, de acuerdo con la composición del acero, la forma y el tamaño de las piezas y las características que se desean obtener [25]. Los tratamientos térmicos se explican por la teoría de las tranformaciones de fases en base a dos diagramas: De transformación isotérmica (TTT) y de enfriamiento continuo (CCT) A. Diagramas de transformación isotérmica (TTT). Se denomina curva TTT (transformación-temperatura-tiempo) al diagrama que relaciona el tiempo y la temperatura requeridos para una transformación a temperatura constante. Estos diagramas siguen un modelo general tal como se observa en las figuras II.2 y II.3. Los diagramas TTT son gráficas que representan el porcentaje (%) de transformación en función de la temperatura y del tiempo y son muy útiles para entender las transformaciones de un acero que se enfría isotérmicamente. Cada material tiene su curva típica, y las curvas TTT de los aceros aleados difieren considerablemente respecto a los aceros al carbono. B) Diagramas de enfriamiento continuo (CCT). En el enfriamiento continuo del acero existe una velocidad crítica, que representa la velocidad de temple mínima para generar una estructura totalmente martensítica. Esta velocidad de enfriamiento crítica, incluida en diagrama de transformación por enfriamiento continuo, roza la nariz donde empieza la transformación perlítica. La figura 2 indica, que a velocidades de temple mayores que la crítica, sólo se forma martensita; además, existe un tramo de velocidades de enfriamiento en el que se forma perlita y martensita. Finalmente, sólo se genera estructura perlítica a velocidades de enfriamiento lentas. Por otro lado, la bainita normalmente no se forma al enfriar un acero al carbono de modo continuo hasta la temperatura ambiente, ya que toda la austenita se transforma con el tiempo en perlita y ésta no evoluciona hacia la bainita, pues la región que representa la 25

26 transformación austenita-perlita termina justamente por debajo de la nariz de la curva AB (Figura II.4). Fig. II.2. Diagrama general de transformación isotérmica de la austenita en los aceros (curva TTT). (1) Curva inicial de transformación, (2) Curva final de transformación, VCT = Velocidad crítica de temple, Ms= Curva inicial de transformación martensítica. Mf = Curva final de transformación martensitica. Fig.II.3. Diagrama TTT para un acero al carbono Eutectoide (0,77 %C) 26

27 En todas las curvas de enfriamiento que cruzan la línea AB de la figura II.4 la transformación cesa en el punto de intersección; al continuar enfriando, la austenita que no ha reaccionado empieza a transformarse en martensita al cruzar la línea M (inicio). Los diagramas CCT son únicos para cada acero al carbono y/o aleado. Fig.II.4. Curvas de velocidades de enfriamiento para la construcción de un diagrama de enfriamiento continuo CCT, en un acero eutectoide. II.3.1. TEMPLE EN ACEROS. El temple consiste en calentar al acero hasta una temperatura donde toda la estructura se haya transformado en austenita (estructura FCC) para luego enfriarlo rápidamente y lograr una transformación atérmica, no difusional, que dará como resultado una estructura nueva denominada martensita. (estructura BCT). En el diagrama TTT la curva de enfriamiento debe estar bien a la izquierda y no debe cortar la nariz de la curva. Algo similar debe ocurrir con el diagrama CCT II FORMACION DE MARTENSITA La mayoría de los aceros, incluyendo los aceros al carbono y aceros especiales, son templados para producir cantidades controladas de martensita en la microestructura. Un 27

28 temple exitoso significa obtener la microestructura, dureza, resistencia, o tenacidad requeridas, y minimizar los esfuerzos residuales, la deformación, y la posibilidad de fractura. La martensita es la fase que produce la dureza y resistencia más altas en los aceros. [26] La martensita puede formarse solo si en la transformación de la austenita la difusión puede ser eliminada; en la práctica, esto se logra por enfriamiento rápido. Sin embargo, tal enfriamiento introduce grandes tensiones superficiales que pueden causar agrietamiento. Por lo tanto, los aceros de contenido medio de carbono son aleados con elementos tales como níquel, cromo y molibdeno, los cuales hacen que se dificulten las transformaciones controladas por difusión. Como resultado, se puede formar martensita con enfriamientos más lentos, por ejemplo en aceite. [25] La martensita generalmente es la microestructura que se desea obtener en aceros al carbono y aleados templados. El régimen de enfriamiento debe ser lo suficientemente rápido para evadir la nariz de la curva transformación-temperatura-tiempo (TTT) y obtener la cantidad máxima de martensita. Si el régimen de enfriamiento no es lo suficientemente rápido para evadir la nariz de la curva TTT, tendrá lugar alguna transformación como la bainítica, la perlítica, o la ferrítica, con una correspondiente disminución de la cantidad de martensita formada y una disminución de la dureza de temple desarrollada. [27] Las temperaturas de transformación martensítica no son solamente función de la composición del acero sino también dependen de las circunstancias de tratamiento térmico. Existen también factores que, aunque en menor medida, influyen sobre las curva TTT. Por ejemplo, el tamaño de grano austenítico y la temperatura de austenización desde la que se inicia el enfriamiento. [28] En general cualquier elemento que forme solución sólida con la austenita, bien sea de sustitución (Mn, Ni, Cr, etc.) o de inserción (Br, Ni, etc.), retrasa las transformaciones isotérmicas, tanto perlíticas como bainíticas, ya que dichos elementos ejercen un efecto de barrera u obstrucción para la difusión del carbono; y, por tanto, los gérmenes de cementita (en la zona perlítica), o de ferrita (en la zona bainítica), tardarán más tiempo en aparecer. El Mn y el Ni retrasan por igual la nariz perlítica y el mentón bainítico. Los elementos formadores de carburos (Cr, Mo, etc.), retrasan más la transformación perlítica que la transformación bainítica. En los aceros poco aleados, las zonas perlítica y bainítica aparecen solapadas. [29] 28

29 Mayores porcentajes de martensita implican mayores propiedades de impacto y fatiga después del revenido, el régimen de enfriamiento en las piezas templadas debe ser lo suficientemente rápido, de forma tal que se produzca un alto porcentaje de martensita en las partes críticas de las piezas. La máxima dureza asequible en el acero depende casi exclusivamente de la concentración de carbono. [30]. Fig. II.5. Microestructura de la martensita de un acero al carbono. [Fuente: ] II PROCESO DE AUSTENIZACIÓN. La austenización es el proceso en cual se da la partición final del elemento aleado en la matriz austenitica, (la cual se transformaría a martensita) y el carbono retenido. Este proceso depende de la composición química, las fracciones de volumen y la dispersión de los carburos. Estos carburos no solo contribuyen a la resistencia del uso del material, sino que controlan el tamaño del grano austenítico. De esta manera, si es que la austenización es ejecutada a muy altas temperaturas, es que se puede producir el crecimiento del grano el cual es indeseable, así como el carbono aleado incrementa su grosor o se disuelve en la austenita. Lo arriba expuesto, lo podemos expresar en términos de cinética de transformación de fase de la siguiente manera: Al elevar la temperatura de un acero y superarse la denominada A1 (~727 C), que depende principalmente de la composición química, se inicia la formación de la austenita. Dicha formación ocurre mediante un proceso de nucleación y crecimiento [31]. La ferrita, de empaquetamiento bcc (cúbico centrado en el 29

30 cuerpo), se transforma en austenita, fcc (cúbico centrado en las caras). Durante este proceso y aun posteriormente, se produce la disolución de los carburos. La nucleación de la austenita tiene lugar preferentemente en las interfaces entre los carburos y los granos de ferrita [32, 33], en especial donde se encuentran dos granos de ferrita, pues son estos los sitios donde se tiene mayor energía de superficie disponible. Si la temperatura de tratamiento no es lo suficientemente alta como para que la ferrita se encuentre sobresaturada en C, el crecimiento de la austenita, siguiendo los bordes de grano ferríticos es inhibido y la austenita crece hasta envolver al carburo. La austenita sólo podrá seguir creciendo mediante la difusión del C desde el carburo hacia la interface austenita/ferrita. En este proceso una pequeña parte del carburo se disuelve, o sea, la austenita crece en dos sentidos, hacia el carburo y hacia la ferrita, por lo que se tienen dos interfaces en avance. II.3.2. RECOCIDO EN ACEROS. Genéricamente el recocido consiste en calentar un material, mantenerlo a una temperatura determinada, y luego enfriarlo con una velocidad lenta, con el objeto de ablandarlo. En los aceros al carbono, del recocido total resulta una microestructura ferrito-perlítica (Fig. II.7). En este caso, se usa el rango de temperatura indicado en el diagrama Fe-C de la Fig. II.6. En general, la temperatura adecuada de recocido es 50 C por encima de A3 para aceros hipoeutectoides y de A1 para hipereutectoides. En el recocido el metal se calienta a una temperatura específica y se enfrió a una tasa lenta y definida para producir microestructura refinada y ablandada. Ayuda a que el metal que se utilice para trabajo en frío por lo que es más suave, mejora la maquinabilidad. En aleaciones ferrosas, el recocido se realiza calentando por encima de la temperatura crítica superior y luego se enfría lentamente hasta la temperatura ambiente, adoptando formas de ferrita y/o perlita como la microestructura resultante. Este proceso también se utiliza para eliminar la dureza que surge debido al trabajo en frío, en casos como los metales puros y otras aleaciones que no pueden ser tratados térmicamente. Aquí los defectos causados por la deformación plástica se reparan mediante el calentamiento del metal por encima de la temperatura de re-cristalización. Las aleaciones ferrosas son recocidas por 2 tipos: Recocido completo: - implican velocidades de enfriamiento muy lentas (por lo general en el mismo horno) dando como resultado una microestructura de perlita gruesa., muchas veces combinada con ferrita 30

31 Procesos de recocido: - La velocidad de enfriamiento puede ser más rápida, siempre y cuando la microestructura resultante sea semejante y uniforme. Fig. II.6. Región del diagrama Fe-C mostrando el rango típico de recocido total para aceros al carbono Fig.II.7. Estructura ferrítico-perlítica obtenida con el recocido total de un acero SAE 1040 (4% picral + 2% nital, 500x) 31

32 II TIPOS DE RECOCIDO. Si bien, el recocido tiene como propósito general el ablandamiento del acero, los procedimientos pueden ser muy distintos, según sean las condiciones del material de partida. Señalaremos algunos de ellos: II RECOCIDO DE GLOBULIZACIÓN En este tratamiento el material se calienta a una temperatura levemente superior a Ac1 (o a veces algo inferior), se la mantiene oscilando alrededor de ese punto y luego se enfría lentamente, con la finalidad de producir el máximo ablandamiento. El objetivo metalúrgico es conseguir que las láminas de cementita se conviertan en glóbulos dispersos en una matriz de ferrita. En la Fig. II.8 se muestra el curso de la temperatura en el recocido de globulización; la transformación de la cementita laminar en globular depende de la temperatura y del tiempo de mantenimiento a ella. En este tipo de proceso el que el enfriamiento puede realizarse lentamente, similar al recocido de normalización. En los aceros con alto contenido de carbono las temperaturas de recocido de ablandamiento se aumentan levemente a: 730 C para 0,9 % de C 740 C para 1,1 % de C 750 C para 1,2 % de C El incremento de temperatura acelera la globulización de la cementita. Otro procedimiento para acelerarlo consiste en templar el acero en aceite antes del globulizado. En este caso, la cementita precipita en forma globular bien dispersa (tal como en un revenido a temperatura muy alta). Fig.II.8. Curso de la temperatura en la globalización. 32

33 II RECOCIDO DE ENGROSAMIENTO DE GRANO Se practica calentando a una temperatura muy superior a Ac3, a la que se disuelven muchos gérmenes, impurezas y bordes de grano, con el objeto de obtener un grano basto que mejore la maquinabilidad. En la Fig. II.9 se muestra el curso de la temperatura; en este tipo de recocido. El aumento de tamaño de grano depende de la temperatura de recocido y del tiempo de mantenimiento a ella. El tratamiento se aplica a los aceros blandos no aleados y especialmente a los de cementación, que embotan a las herramientas en el mecanizado. La fragilización que acompaña al aumento de tamaño de grano facilita los maquinados finos y finísimos. Fig.II.9. Curso de temperatura en el recocido de engrosamiento del grano II RECOCIDO DE DIFUSIÓN O DE hom*oGENIZACIÓN Se realiza a temperaturas muy elevadas, entre C, y durante tiempos prolongados. Su finalidad es conseguir una distribución satisfactoria de los componentes solubles, hom*ogeneizando la composición química, con lo que se logra una completa uniformidad estructural. Como consecuencia de los largos tiempos necesarios, se origina una estructura de grano basto, por lo que generalmente debe realizarse un normalizado posterior. II RECOCIDO DE ELIMINACIÓN DE TENSIONES. Consiste en calentar a una temperatura por debajo de Ac1, entre 550 y 650º C, mantener entre 30 y 120 minutos y enfriar lentamente, con la finalidad de eliminar las tensiones 33

34 residuales internas, sin producir variaciones esenciales en las propiedades existentes. En la Fig. II.10 se muestra el curso de la temperatura. Fig.II.10. Curso de temperaturas en el recocido de eliminación de tensiones. II.3.3. NORMALIZADO EN ACEROS. El propósito principal del normalizado, es el de impartir la uniformidad en el tamaño de grano, así como la composición a lo largo de una aleación. Generalmente, en este proceso, las aleaciones de hierro se calientan por encima de la temperatura crítica superior seguido de un enfriamiento en aire tranquilo. En resumen, mientras que el temple exige una velocidad rápida de enfriamiento para poder endurecer, el recocido exige una velocidad lenta para poder ablandar. Por otro lado el normalizado exige una velocidad ni lenta, ni rápida para uniformizar el grano. El normalizado de los aceros puede considerarse desde los puntos de vista térmico y microestructural. En el primer caso, se refiere a un ciclo de austenización seguido de enfriamiento en aire calmo o ligeramente agitado, con el objeto de regenerar la estructura y eliminar irregularidades resultantes de tratamientos térmicos o deformaciones previas. Típicamente, la pieza se calienta entre 40 y 60º C por encima del punto crítico superior, Ac3 para aceros hipoeutectoides y Acm para hipereutectoides (Fig. II.11). Un normalizado correcto requiere la completa y hom*ogénea austenización antes del enfriamiento. 34

35 Fig.II.11. Región del diagrama Fe-C mostrando el rango típico de normalizado para los aceros al carbono En términos de microestructura, se refiere a obtener una estructura completamente perlítica (laminar) en aceros de 0,8% C, de perlita más ferrita proeutectoide en aceros hipoeutectoides, y de ferrita más cementita en los hiperectoides, fases que se forman en los bordes de grano austeníticos. Los aceros endurecibles al aire quedan excluidos de esta clasificación, debido a que en ellos no se forma la perlita típica del normalizado. Una temperatura de normalización excesivamente alta es perjudicial, especialmente en aceros de uso general, ya que se deterioran la estructura y propiedades mecánicas debido al embastecimiento del grano producido por el sobrecalentamiento. El tiempo a temperatura depende de las dimensiones de las piezas; con tiempos largos desaparecen algunas irregularidades, como las de deformación en frío o estructuras en bandas, pero se puede agrandar el grano obteniéndose estructuras groseras. Esto se evita en aceros con Al, Cr o V que son insensibles al sobrecalentamiento. La estructura final depende también de la velocidad de enfriamiento; en la mayoría de los aceros es importante controlarla hasta unos 600º C, pudiendo ser más lenta después de esta temperatura. Las velocidades normales para aceros al C y de baja aleación varían entre 2 y 60º C/seg. Los aceros de herramientas normalmente se dejan enfriar dentro del horno. 35

36 Estructuras normales: se desea obtener un tamaño de grano fino con estructura de perlita mediana a fina uniforme, con ferrita intergranular en el caso de los aceros hipoeuteotoides, pudiendo aparecer dentro del grano cuando los aceros son de bajo % de C. En aceros hipereutectoides aparecerá cementita principalmente en los límites de grano. Estas estructuras y propiedades son consideradas normales y características de su composición. Estructuras defectuosas: falta de uniformidad del grano motivado por calentamiento demasiado corto que no permitió una transformación y difusión completa, o también por falta de temperatura. Embastecimiento de grano y/o grano "dúplex" por elevada temperatura de proceso. Las estructuras muy finas de transformación isotérmica de baja temperatura elevan la dureza del material cuando el enfriamiento es rápido. Aplicaciones: se utiliza para eliminar irregularidades estructurales y tensiones internas en piezas con solicitaciones fuertes, como elementos de máquinas, dispositivos y recipientes. Todas las modificaciones estructurales producidas por tratamiento térmico y deformación en caliente o en frío, se eliminan por un normalizado, así como la estructura grosera de forja, las tensiones de maquinado y deformaciones por estirado en frío. También se aplica después de la soldadura de piezas complicadas, para afinar la estructura del cordón y la zona adyacente del material base (zona afectada por el calor) que puede tener productos de temple. El normalizado tiene especial aplicación en los aceros moldeados ya que permite transformar la estructura dendrítica de colada en otra de grano fino. En la fig. II.12 se puede observar un refinamiento del grano mediante normalizado. Fig.II.12. Refinamiento de grano mediante normalizado en un acero al carbono 0.5% C. (a) En la condición de laminado o forjado con tamaño de grano ASTM 3 y (b) normalizado con tamaño de grano ASTM 6. 36

37 II.4. DESGASTE DEL ACERO. El desgaste es el daño progresivo que envuelve pérdida de material, el cual ocurre sobre la superficie de un componente (mecánico) como resultado del movimiento relativo, para partes que trabajan con contacto entre sí. Para ser más precisos, se considera al desgaste como el desprendimiento de partículas de la superficie de un cuerpo y/ó el desplazamiento del material de zonas en contacto, hacia zonas libres de carga. II.4.1. TASA DE DESGASTE La tasa de desgaste TD es generalmente definido como la pérdida del volumen de la superficie desgastada por unidad de distancia deslizada y viene en unidades de mm 3 *m -1. Se define adicionalmente la tasa de desgaste específica TDE como la pérdida del volumen de la superficie desgastada por unidad de distancia deslizada por unidad de carga normal aplicada y se expresa en unidades de mm 3 *(N*m) -1. Para la situación particular de deslizamiento en seco o sin lubricación la tasa de desgaste depende de la carga normal, la velocidad de deslizamiento relativa, la temperatura inicial y las propiedades térmicas, mecánicas y químicas de los materiales en contacto. Hay muchos mecanismos físicos que contribuyen al desgaste y no hay seguridad de un modelo simple y universal que sea aplicable para todas las situaciones. Cuando se estudian las propiedades al desgaste de una clase especial de materiales tales como polímeros o metales, en el presente caso acero, es esencial llevar en mente la complejidad de un sistema tribológico general. Un resultado que carezca de lazos- o nivel de conocimiento- implica en tribología que algún establecimiento puede ser verificado o descartado con la ayuda de los experimentos, solo sí es hecha una selección de los parámetros y variables. Esto conlleva a comparaciones entre diferentes materiales en situaciones tribológicas similares o diferentes. II.4.2. MECANISMOS DE DESGASTE Se distinguen varios tipos de desgaste dentro de los cuales tenemos: DESGASTE POR ADHESION DESGASTE POR ABRASION DESGASTE POR EROSION MICROOSCOLATORIO (FRETTING) DESGASTE QUIMICO (CORROSION) 37

38 Debido a que nuestro estudio trata sobre el desgaste adhesivo, describiremos brevemente los mecanismos de los otros tipos de desgaste mostrándolos en la figura II.13. Fig.II.13. Mecanismos de desgaste en metales: a) desgaste abrasivo de 2 cuerpos, b) desgaste abrasivo de 3 cuerpos c) desgaste por corrosión d) desgaste por corrosión por fretting (oscilante) e) desgaste por erosión, f) desgaste por fatiga. Se deja de lado el esquema de desgaste adhesivo para un trato especial, por ser el tema de estudio. II DESGASTE ADHESIVO Se produce adhesión entre las estructuras atómicas de dos cuerpos con movimiento relativo. Esto ocurre debido al contacto íntimo al que llegan las dos piezas por las altas presiones específicas en la zona de contacto real, dependiendo a su vez de la estructura de ambos materiales. En función a que dos superficies de un mismo material, con un alto grado de acabado superficial, es decir, con menores rugosidades, se adhieren perfectamente con solo ponerlas en contacto, por ser mayor las superficies adheridas, 38

39 como consecuencia de la mayor fuerza por adhesión, el material con menor límite elástico, en el punto de contacto real, debe deformarse plásticamente por las altas cargas específicas a la que está sometido, por lo que se crea un contacto Íntimo entre los dos materiales. Según, B. Bhushan [34], el desgaste adhesivo se produce debido a los materiales de adherirse o pegarse entre sí bajo la carga que se traduce en la transferencia de material entre las dos superficies o la pérdida de material de cualquiera de las superficies mecanismo de desgaste adhesivo se muestra esquemáticamente en la Fig. II.14. Fig. II.14. Esquema de desgaste adhesivo. Fuente: Ref. [34] Debido a la influencia de la contaminación superficial producida por el medio ambiente, el endurecimiento de la superficie por efecto del trabajado mecánico y la creación de óxidos sobre la superficie, producen cambios de propiedades o formas de lubricación sólida que modifica todo el proceso, por lo que no se produce una adhesión como la descrita anteriormente Debido a la influencia de la contaminación superficial producida por el medio ambiente, el endurecimiento de la superficie por efecto del trabajado mecánico y la creación de óxidos sobre la superficie, producen cambios de propiedades o formas de lubricación sólida que modifica todo el proceso, por lo que no se produce una adhesión como la descrita anteriormente 39

40 En la figura II.15, podemos observar como algunos elementos de aleación influyen en una superficie desgastada de un acero inoxidable austenitico AISI 316L. Fig.II.15. Microfotografía electrónica SEM de la superficie del acero AISI 316L desgastada en forma adhesiva: (a) Sin boro (b) Con adiciones de boro a 10.8 N, 0.21 m/seg de velocidad de deslizamiento en una distancia de 6000 m. Fuente: Ref. [35]. II TEORIA DEL DESGASTE ADHESIVO Según la teoría adhesiva del desgaste deslizante, bajo la acción de las cargas normales aplicadas los topes de las asperezas de las dos superficies sufren fluencia plástica y soldadura en frío. Al producirse el movimiento, las uniones soldadas se rompen por cizalladura, tomando lugar la separación en el cuerpo de menor dureza. De esta manera, la superficie más dura se cubre de una película transferida del material de la contracara, a la vez que se desprenden partículas en el proceso. Se cree que otros mecanismos, como abrasión y fatiga superficial son responsables por el desprendimiento de partículas de la película transferida. Sin embargo, existen otras teorías que tratan de explicar de maneras diferentes esta forma de desgaste y la formación y remoción de las partículas. Los términos de adhesión y cohesión se refieren a la habilidad de las estructuras atómicas de adherirse entre ellas y formar lazos superficiales, los cuales están íntimamente en contacto. La teoría de la adhesión [36], ha sido ampliamente aceptada como una base para entender el fenómeno de desgaste deslizante. En esencia, dice que el área real de contacto entre dos cuerpos es muy pequeña, y está formada por los puntos de las asperezas más altas que se encuentran en contacto. Es decir, las superficies, aun teniendo el mejor acabado superficial posible y siendo a escala macroscópica en 40

41 apariencia lisas, en realidad presentan una micro-topografía irregular de asperezas en forma de crestas y valles [37]. Debido a esto, cuando las dos superficies hacen contacto mutuamente, bajo la acción de una carga, el contacto solo se produce en las crestas de las asperezas y como consecuencia, el área real que soporta la carga es mucho más pequeña que el área aparente de contacto. Consecuentemente, el área real de contacto es independiente del área aparente de las superficies, pero es determinada por la carga aplicada [38]. La presión en esos puntos de verdadero contacto es por lo tanto más alta que el valor correspondiente al valor nominal. Esto implica que los átomos más externos de una superficie se podrán acercar a aquellos de la contracara y eso es especialmente verdadero si las superficies son relativamente limpias y no contaminadas por extrañas capas superficiales. Sin embargo, en el caso que existan contaminantes superficiales tales como óxidos, la adhesión se vería disminuida, pero existiría de igual manera, a causa de las altas presiones que se generan debido al área tan pequeña que soporta la carga. Si deseamos separar suficiente superficie, la fuerza debe ser aplicada para sacar o deslizar esas partes. Esto se aplica según la naturaleza de los materiales aunque es particularmente significativo en el caso de metales dúctiles. La adhesión juega un importante papel en las interacciones superficiales. La forma más simple en la teoría adhesional de fricción supone que aunque el contacto real es solo hecho en los tipos de asperezas a nivel de relativas cargas bajas, las presiones de contacto verdadero son suficientemente altas para causar deformación plástica local. La carga normal aplicada Fn está relacionada con el área real de contacto Ar por una propiedad del material la cual representa el punto de presión de la superficie más blanda, esto será numéricamente muy cercano en valor a la dureza de identación H, es decir: Fn = Ar * H La fuerza de fricción total Fr, es el producto del área real de contacto Ar y el esfuerzo o tensión de corte específico K, que puede mostrar alguna unión. Apartando los efectos de trabajo o esfuerzo por endurecimiento es imposible para una unión, exhibir un esfuerzo de corte más grande que el volumen del material más débil. Esto se puede expresar como: Por lo que; Fr = Ar * K ec. 2.1 f= Fr / Fn= K / H ec

42 Esta ecuación está de acuerdo con las leyes de fricción de Guillaume Admonton, ingeniero francés quien en el año 1699 fue el primero en establecer mediante apreciaciones cuantitativas dichas leyes. En la ecuación, f es una constante independiente de la carga y además del argumento físico que conlleva esto, provee una explicación del porqué la fuerza friccional es independiente del área nominal, o área aparente de contacto entre los dos sólidos. Admonton imaginó que la fricción era causada por la interacción de los picos de las superficies rugosas. En caso de materiales duros debían pasar unos sobre otros y en el de materiales más blandos era posible sortear el paso de los picos sorteando su geometría. En adición a esto, el coeficiente de fricción se muestra asociado con la relación de dos propiedades al esfuerzo, del sólido más débil, K el esfuerzo o tensión de corte específico y H su dureza de identación o de fluencia. Si bien los valores absolutos de esas cantidades pueden variar ampliamente de un material a otro, ya que posteriormente se consideró que la fricción se debía al corte de las uniones, por lo que la fuerza de fricción sería simplemente Ar veces el esfuerzo de corte K. Mediante la ecuación 2.2 vemos que la ecuación 2.1 satisface las dos leyes de Admontons, ya que el área de contacto y la carga se eliminan. Para muchos esa relación es más o menos constante y generalmente se puede esperar para un material tipo, universal, un valor en el coeficiente de fricción f entre 0.17 y 0.2 debido a que H vale aproximadamente 3σ (esfuerzo de fluencia) y K aproximadamente 0.5 a 0.6σ. Consecuentemente las gráficas adicionales explican, porque esto es, comparativamente, más limitado de extender en valores numéricos de f basados en la práctica entre superficies sólidas secas Según la ecuación 2.2 f = Fr / Fn = K / H, el valor del coeficiente de fricción f solo depende de dos propiedades del sólido más débil y será básicamente independiente de la naturaleza de la dureza de la contracara. El rango de variación de valores de f en condiciones atmosféricas normales es pequeño, no sobrepasando el valor de 0.2 y la situación puede ser muy diferente sí la superficie del metal está limpia, o que el deslizamiento tome sitio en un vacío, ya que no se produce la película protectora de óxido. La teoría de la adhesión involucra la siguiente secuencia de eventos [39] a.- Aplastamiento de asperezas por deformación y desarrollo de una interface entre las dos superficies. Esta interface se halla sometida a un gran esfuerzo de corte. 42

43 b.- Fractura de uno de los materiales en una posición cercana a la interface, removiendo un fragmento de uno de los materiales y transfiriéndolo al otro. c.- Desprendimiento del fragmento transferido. Estos pasos se encuentran ilustrados en la Figura II.16. Esta teoría requiere de un enlace adhesivo muy fuerte. El contacto entre sólidos en aire es realizado por dos superficies que poseen capas de óxidos en ambas superficies, como consecuencia una adhesión verdadera no se llega a realizar. Fig.II.16. Representación esquemática un mecanismo clásico de adhesión para la generación de una partícula irregular de desgaste [39] II ENSAYOS DE DESGASTE Y MEDIDAS DEL DESGASTE ADHESIVO. Las pruebas o ensayos de desgaste se llevan a cabo para predecir el rendimiento de desgaste e investigar el mecanismo de desgaste. Dos razones específicas son las siguientes: Desde el punto de vista material, el ensayo se realiza para evaluar la propiedad de desgaste de un material para determinar si el material es adecuado para una aplicación de desgaste específica. Desde el punto de vista de la ingeniería de superficie, se lleva a cabo una prueba de desgaste para evaluar el potencial de utilizar una determinada tecnología de ingeniería de superficie para reducir el desgaste para una aplicación específica e investigar el efecto de las condiciones de tratamiento (parámetros de procesamiento) De modo que se puedan realizar condiciones de tratamiento de superficie optimizadas 43

44 II NIVELES DE ENSAYOS DE DESGASTE. Las pruebas de desgaste se realizan en tres niveles, a saber, (1) Pruebas de laboratorio, (2) Pruebas de simulación de componentes. (3) pruebas en servicio. Podemos usar un ejemplo para describir la diferencia entre cada tipo de prueba. Se ha desarrollado una nueva tecnología de ingeniería de superficie (SE), la cual podría usarse potencialmente para mejorar la resistencia al desgaste de las piezas de una articulación de cadera de metal sobre metal (para el cuerpo humano). Tal vez la secuencia ideal y lógica de las pruebas de desgaste en este ejemplo será la siguiente: Etapa 1 Ensayos de laboratorio con muestras pequeñas se llevan a cabo inicialmente bajo condiciones de ensayo simuladas en la medida de lo posible para determinar si la tecnología de ingeniería de superficie requiere una consideración adicional y, en caso afirmativo, averiguar bajo qué condiciones de tratamiento se puede lograr la mejor resistencia a la resistencia al desgaste Etapa 2 En la siguiente etapa, la condición de tratamiento de superficie optimizada se usará para tratar algunas partes de unión reales, Por ejemplo: Cabeza o copa femoral, que luego se ensayará en un simulador de articulación de la cadera, controlando las condiciones de ensayo lo más cerca posible de las de una articulación humana real, por ejemplo, lubricada con un líquido corporal, temperatura alrededor de 37ºC y moviéndose como un humano caminando o corriendo. Etapa 3 Sólo cuando las partes tratadas superficialmente han sobrevivido a los ensayos de simulación y, de hecho, muestran una resistencia al desgaste considerablemente mejorada sin perder otras propiedades (por ejemplo, corrosión y bio-compatibilidad), pueden realizarse las pruebas en servicio. Las partes de la articulación tratadas superficialmente serán implantadas en un cuerpo humano y probadas (monitorizadas) durante un período prolongado de tiempo si no hay ningún efecto secundario inmediato después de la implantación. Como podemos ver, la prueba de simulación y la prueba en servicio producen resultados más confiables, sin embargo, la prueba de laboratorio es barata, segura y rápida y, por lo tanto, sirve como una función muy útil. En las siguientes secciones, presentaremos los métodos para la prueba de desgaste en laboratorio. Se darán los principios de funcionamiento de tres probadores de desgaste en laboratorio ampliamente utilizados, 44

45 seguidos de una introducción de la medición del desgaste. Un ejemplo de pruebas y medidas de desgaste de laboratorio se puede encontrar en un estudio de casos corto. II METODOS DE ENSAYOS DE DESGASTE EN LABORATORIO Un aparato para pruebas de desgaste se denomina probador de desgaste, tribotester o tribómetro. El prefijo de "tribo" se refiere al desgaste, fricción y lubricación. Muchos, probablemente más de varios cientos, utilizan diferentes métodos y procedimientos de pruebas de desgaste en laboratorios alrededor de todo el mundo y se describen en la literatura técnica. Sin embargo la gran diferencia de un arreglo en comparación con otro probador del desgaste implicará siempre dos componentes cargados en contra y moviéndose relativamente. El movimiento puede ser accionado por un motor o por un dispositivo electromagnético. Para fines convenientes, el material o componente que se está investigando normalmente se denomina espécimen o probeta, y el otro se denomina como contraface (superficie de contacto). El más duro hace las veces del desgastador. Como ejemplos, a continuación se da el principio de funcionamiento de tres probadores de desgaste de laboratorio más ampliamente utilizados. Ejemplo 1: Un comprobador de desgaste abrasivo. La figura II.17 muestra un esquema de un comprobador de desgaste abrasivo, en el que una rueda o una bola, es accionada por un motor, girando y deslizándose contra una muestra fija en presencia de partículas abrasivas. El espécimen está en forma de una placa o un bloque. La presión de contacto se controla mediante el peso muerto a través de una palanca de carga. Las partıculas abrasivas, tales como sılice, se añaden a través de una boquilla que se conecta a una tolva anterior, dando una situación de desgaste de tres cuerpos. Después de un tiempo establecido de funcionamiento, se retira la muestra y se mide la pérdida de desgaste. Los parámetros a controlar incluyen la carga de contacto, la velocidad de deslizamiento, el tipo de partículas abrasivas y su caudal. 45

46 Fig.II.17. Esquema de un medidor de desgaste abrasivo Ejemplo 2: Un comprobador de desgaste deslizante-rodante El probador de desgaste deslizante es el tribómetro más popular para investigar el desgaste, así como el comportamiento de fricción de los materiales en condiciones de rodadura, deslizamiento o una combinación de ambos. Dos discos (ruedas), como se muestra en la Fig. II.18 a), están fijados a dos ejes paralelos y presionados entre sí bajo una carga de contacto constante. Impulsados por un motor a través de un tren de engranajes, los especímenes están girando junto con los ejes. La velocidad de rotación se puede controlar, de modo que cuando las velocidades lineales de dos ruedas son iguales en el punto de contacto (V1 = V2), se consigue un contacto de rodadura puro. Cuando V1 y V2 son diferentes (V1 V2) y ambas ruedas están girando, se puede realizar un deslizamiento por deslizamiento combinado. Mientras que cuando uno de los especímenes es fijo, y el otro está girando, entonces el desgaste es un deslizamiento puro. En este caso, la muestra fija puede ser un bloque, por lo que se utiliza un nombre de bloque sobre rueda. Pueden añadirse partículas abrasivas al área de contacto, logrando una prueba de desgaste abrasivo de tres cuerpos. El esquema de este tribómetro lo podemos observar en la figura II.18 b). 46

47 a) b) Fig. II.18. Esquema de instalación en un medidor de desgaste por rodadura a) Rueda sobre rueda. b) Bloque sobre rueda. Ejemplo 3. Comprobador de desgaste pin-on-disc. En un probador de desgaste de pin-on-disc, se carga un pasador contra un espécimen de disco rotativo plano, de tal manera que la máquina describa una trayectoria de desgaste circular. La máquina puede usarse para evaluar las propiedades de desgaste y fricción de materiales bajo condiciones de deslizamiento puro. Tanto el disco como el pasador pueden servir como espécimen, mientras que el otro como desgastador. Pueden utilizarse pasadores con geometría variada. Una forma conveniente es usar la bola de materiales disponibles comercialmente tales como acero para rodamientos, carburo de tungsteno o alúmina (Al2O3) como contracara, de manera que se use el nombre de bola sobre disco. El esquema de funcionamiento y el tribómetro en funcionamiento, lo podemos observar en las figuras: II.19 y II.20. II MEDICIÓN DEL DESGASTE CUANTIFICACIÓN. [41] La medición del desgaste se lleva a cabo para determinar la cantidad de materiales eliminados (o desgastados) después de una prueba de desgaste, (y en realidad después de una pieza en servicio durante un período de tiempo). El material desgastado se puede expresar como pérdida de peso (masa), pérdida de volumen o cambio de dimensión lineal dependiendo del propósito de la prueba, el tipo de desgaste, la geometría y el tamaño de las muestras de ensayo y a veces la disponibilidad de una instalación de medición. Las técnicas comunes de medición del desgaste incluyen el uso de un balance de precisión para medir la pérdida de peso (masa), el perfilado de superficies o el uso de un microscopio para medir la profundidad de desgaste o el área de sección transversal de una 47

48 pista de desgaste para determinar la pérdida de volumen de desgaste o lineal cambio dimensional. Fig. II.19. Esquema de un medidor de desgaste pin-on-disc wear test y el ordenamiento de las muestras. Fig. II.20. Tribómetro medidor de desgaste tipo: pin-ondisc, mostrando detalles de funcionamiento. 48

49 Pérdida de masa La medición de la pérdida de masa mediante un balance de precisión es un método conveniente para medir el desgaste, especialmente cuando la superficie desgastada es irregular y de forma asimétrica. La muestra a medir se limpia cuidadosamente y el peso se mide antes y después de una prueba de desgaste. La diferencia de peso antes y después de la prueba representa la pérdida de masa causada por el desgaste. La unidad puede ser gramos (g) o miligramos (mg). Pérdida de volumen El volumen de desgaste se calcula normalmente a partir de la profundidad de la pista de desgaste (huella), la longitud, el ancho y / o el perfil de la huella de acuerdo con la geometría de la pista de desgaste / huella. Un perfilómetro de superficie, p. Un tipo de lápiz o, a veces, un microscopio con escala se utiliza para la medición. La unidad de notificación de la pérdida de volumen de desgaste es mm 3 o μm 3. La pérdida de volumen de desgaste permite una mejor comparación del desgaste entre materiales que tienen diferentes densidades. Sin embargo, no es fácil medir la pérdida de volumen cuando una pista de desgaste es irregular. En este caso, la pérdida de masa puede medirse primero y la pérdida de volumen se calcula si los materiales son uniformes y su densidad es conocida. Pérdida de la dimensión lineal Medir el desgaste por cambio de dimensión lineal es muy útil en muchas situaciones de ingeniería, donde ciertas dimensiones tales como longitud, grosor o diámetro son para la función normal del sistema. Un perfilómetro de superficie se puede usar, como por ejemplo, un tipo de lápiz óptico, un micrómetro o un microscopio. La unidad para la pérdida de la dimensión lineal puede ser μm o mm. La Tasa de desgaste son los resultados calculados que reflejan pérdida de masa de desgaste, pérdida de volumen o cambio de dimensión lineal bajo la fuerza normal aplicada unidad y / o la distancia de deslizamiento de la unidad. La tasa de desgaste puede expresarse de muchas maneras diferentes. Los ejemplos se enumeran en la Tabla II.1. Resistencia al desgaste. La resistencia al desgaste es un término usado frecuentemente para describir las propiedades antidesgaste de un material. Sin embargo, el significado científico de la resistencia al desgaste es vago, y no hay una unidad específica para describir la resistencia al desgaste. Sin embargo, a veces se utiliza la inversa de pérdida de masa o pérdida de volumen como resistencia (relativa) al desgaste. La relación de pérdida de desgaste para 49

50 un material de referencia sobre la del material investigado bajo las mismas condiciones de ensayo también se puede usar como resistencia relativa al desgaste. En cualquier caso, si se da un valor numérico de resistencia al desgaste, su significado debe indicarse claramente. Tabla II.1. Métodos de medición de desgaste y unidades típicas para la cuantificación del desgaste. Fuente: Ref. [41] Pérdida de masa Pérdida de volumen Métodos de medida Medida directa para un balance preciso Pérdida de volumen calculado para una densidad conocida del material Calculado desde la profundidad, ancho, perfil de desgaste, y/o otros datos dimensionales de una huella de desgaste. Técnicas de perfilometría superficial o técnicas de microscopía se pueden utilizar para la medida. Calculado desde la pérdida de masa para una densidad conocida. Unida de desgaste µg g mm 3 Unidades de tasa de desgaste µg/m, g/m, µg/n, g/n. mm3 /m, mm 3 /N, Dimensión lineal Medida directa por perfilometría superficial, microscopía y otras técnicas de medición µm mm. µm/min µm/seg mm/min mm/seg 50

51 CAPITULO III MATERIALES Y METODOS III.1. MATERIAL DE ESTUDIO Nuestro material de estudio será el acero ASTM A182, cuyo equivalente en DIN es 9Cr/1Mo. Es un material que está disponible en las diversas casas importadoras de aceros especiales. Contiene alrededor del 9% de Cromo y 1% de Molibdeno y comúnmente es usado en la condición de templado y revenido, aunque también tiene aplicaciones en estado ferrítico. A menudo se hace referencia como un acero inoxidable, pero no cumple los criterios aceptados para ser considerado un acero inoxidable. III.1.1. CARACTERÍSTICAS Y APLICACIONES. Este material se utiliza ampliamente como miembros tubulares y estructurales de los recipientes que contienen líquidos o gases sometidos a presión. Además puede estar sujeto a corrosión local acelerada en ambientes que contienen oxígeno libre. Una característica importante es la siguiente; Cuando se modifica para adquirir una estructura ferritica, es comúnmente utilizado por el sector energético para la generación de energía, procesos químicos y también en las industrias del petróleo, debido a sus propiedades mecánicas radiantes y resistencia a la corrosión de alta temperatura. Bajo esta condición, actualmente este material se está aplicando en la fabricación de generadores de vapor de reacción rápida, intercambiadores de calor etc, bajo la condición de normalizado y revenido. III.1.2. COMPOSICION QUÍMICA Tabla III.1. Composición química del acero ASTM A182. (% en peso) [40] C Si Mn P S Cr Mo Min 0, ,02 0, Max III.1.3. PROPIEDADES MECANICAS ESTIMADAS 51

52 Estas propiedades mecánicas mostradas en la tabla 2, dadas por la referencia [40], solamente son datos promedios estimativos, ya que representan propiedades que se encuentran dentro de un rango de composición, que se observa en la tabla Tabla III.2. Tabla III.2. Propiedades mecánicas estimadas del acero ASTM A182. Ref. [40] Resistencia Mecánica (U.T.S) 95 KSI Min 655 Mpa Límite de Fluencia 80 KSI Min 551 Mpa Elongación 20 % Reducción de area 40 % Límite de dureza en estado de suministro 22HRC max. III.1.4. MICROESTRUCTURA DEL ACERO ASTM A182. Fig.III.1. Microestructura del acero ASTM A182 (estado de suministro) III.2. EQUIPOS, INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN Y MATERIALES CONSUMIBLES USADOS EN EL EXPERIMENTO. Fresadora universal TOS para preparación de probetas, perteneciente al laboratorio de Maquinas- herramientas- Escuela Ing. Mecánica-UNT 52

53 Cepillo de codo FURLANETTO y rectificadora plana, para precisar el maquinado de probetas, perteneciente al laboratorio de Maquinas- herramientas- Escuela Ing. Mecánica-UNT Rectificadora plana, COZZI para pulido de probetas, perteneciente al laboratorio de Maquinas- herramientas- Escuela Ing. Mecánica-UNT Horno eléctrico digital THERMOLYNE para los tratamientos térmicos, perteneciente al laboratorio de Ensayos Mecánicos- Escuela Ing. Mecánica-UNT Durómetro digital IDENTEC, en escala HRC, con 150 kg. de carga y cono de diamante de 120º, perteneciente al laboratorio de Ensayos Mecánicos- Escuela Ing. Mecánica- UNT Dispositivo tipo AMSLER acoplado al torno universal MHASA con para ensayo de desgaste adhesivo en seco. Micrómetro digital de exteriores 0.1 μm MDH-25M MITUTOYO, para la medición de la variación de longitud por efecto del desgaste. Microscopio Zeiss 1000X, usado en los ensayos metalográficos. Pulidora de doble disco, para el pulido de probetas para ensayos de metalografía, perteneciente a la Escuela de Ing. Metalúrgica-UNT. Lijas al agua para pulido de probetas, de grados: 180, 240, 400, 600, 1000, 2000; alumina mm; Paños de pana; Lijas al agua grado 180, 240, 400, 600, 1000, 2000 Alúmina : 5 µ; 3 µ; 0.3 µ; 0,1 µ. Paños de pana Reactivo Nital al 3% III.3. DISEÑO EXPERIMENTAL. III.3.1. VARIABLES DE ESTUDIO Independientes: Tipo de tratamiento: Temple, normalizado y recocido...(03 niveles) Cargas de ensayo desgate: 30,50 y 100N...(03 niveles) Tiempos de ensayo de desgaste: 10, 20, 30, 40, 50, 60 min (06 niveles) Dependientes: Dureza Resistencia al desgaste adhesivo 53

54 Microestructura Fig.III.2. Esquema de relación de variables del experimento III.3.2. NUMERO DE ENSAYOS Y PROBETAS. Según las variables y sus niveles respectivos se tuvieron que realizar: N de ensayos: 03x03x06= 54 ensayos. N de probetas = 54 probetas. No se pudieron tomar réplicas por el elevado número de probetas que se tendría que haber confeccionado (elevados costos), razón por la cual se tuvo mucho cuidado en la elaboración de todos los ensayos. III.4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL: III.4.1. CONFECCION DE PROBETAS: Para desgaste adhesivo Se confeccionaran en total 54 probetas para ensayos de desgaste adhesivo, según la norma ASTM D2782, tal como se muestra en la figura III.3. Estas fueron fabricadas a partir de una plancha de acero ASTM A 182 de medidas estándar de ½ pulgada (12,7 mm) de espesor x 1,5m de ancho x 6 m. de longitud. Para su fabricación, primeramente la plancha fue recortada en cupones de ½ pulgada (12,7 mm) de espesor x 0,5m de ancho x 0,5m de longitud, utilizando corte oxiacetilénico; luego se utilizó la cepilladora horizontal FURLANETTO, para aproximar a las dimensiones mostradas; posteriormente se precisaron las medidas en la fresadora TOS. Finalmente fueron rectificadas en la rectificadora plana COZZI y pulidas con lijas grados: 54

55 120 y 180. El plano de estas muestras se observa en la figura III.3. y las probetas terminadas y tratadas térmicamente en la figura III.4. Para la dureza. No fue necesario confeccionar probetas especiales; pues, la dureza se midió en las mismas probetas desgastadas haciendo las indectaciones en la cara que no ha sufrido desgaste Fig.III.3. Dimensiones de las probetas para ensayo de desgaste adhesivo III.4.2. TRATAMIENTOS TÉRMICOS: Los tratamientos térmicos descritos a continuación se realizaron para todas las probetas, tanto para los ensayos de dureza como para los ensayos de desgaste. AUSTENIZADO. Se realizó en el horno eléctrico digital THERMOLYNE, según un nivel fijo de temperatura: 1050 C con un tiempo de sostenimiento de 30 min. Los tres tratamientos térmicos se hicieron a la misma temperatura de austenizado. TEMPLE. Se hizo un Tratamiento de temple después del austenizado, utilizando como medio de enfriamiento el agua. NORMALIZADO Se calentaran las muestras hasta la temperatura de austenizado de 1050 C y luego se enfriaron al aire. RECOCIDO Se calentaran las muestras hasta la temperatura de austenizado de 1050 C y luego se hizo un enfriamiento lento en el horno 55

56 Después de los tratamientos se procedió a medir la dureza y luego se realizaron ensayos de desgaste los Fig. III.4. Probetas tratadas térmicamente antes del ensayo de desgaste adhesivo III.4.3. ENSAYO DE DUREZA. Este ensayo se realizó utilizando el durómetro digital IDENTEC perteneciente al laboratorio de Ensayos Mecánicos de la escuela de Ingeniería Mecánica-UNT, Las mediciones se hicieron en escala Rockwell C, con 150 kg de carga y cono de diamante de 120 º. En cada ensayo se realizaron tres indectaciones y se tomó el promedio como medida. Como se dijo anteriormente las probetas que se sometieron a este ensayo, fueron las mismas barras prismáticas que se sometieron a desgaste pero haciendo las indectaciones en la zona no desgastada. Para evitar películas de oxidación y suciedades antes de hacer la indectación, las muestras tuvieron que ser preparadas haciendo un pulido con lijas: 400, 800 y paño de alúmina usando abundante agua. III.4.4. ENSAYO DE DESGASTE ADHESIVO. La metodología experimental utilizada para la realización de este trabajo se encuentra establecida en la norma ASTM- D , para ensayos de desgaste utilizando la configuración bloque sobre anillo ( Block-on-Ring ), y anillo sobre bloque. Este sistema se puede utilizar tanto para ensayos de desgaste lubricados como en seco. En la leyenda de la figura III.5 se detalla el sistema de medición para cada caso. 56

57 Debemos mencionar, como se expuso en los fundamentos teóricos, que existen muy diversos métodos para evaluar los tipos de desgaste. Esto puede observarse en la literatura expuesta en la referencia [42]. Actualmente se encuentra muy difundido los ensayos que usan el sistema pin-on-disk, pero en nuestro caso, como el propósito es caracterizar al material se ha estimado conveniente utilizar el sistema ( Block-on-Ring ). Fig.III.5. Configuración bloque sobre anillo en forma general: Para un ensayo de desgaste lubricado, el desgastador es el anillo móvil y la probeta el bloque fijo. Para un ensayo en seco se invierte, el desgastador es el anillo y el desgastador es el bloque. Como nuestro laboratorio no cuenta con equipos tribológicos especiales para estos ensayos, se ha tenido que acondicionar un dispositivo al torno Mhasa, habiendo tenido que diseñar y fabricar los dispositivos semejantes que proporcionaran los mismos resultados. III MEDICION DEL DESGASTE ADHESIVO. En el presente trabajo, se tomó como criterio de medición de desgaste, la pérdida de dimensión lineal que se produce en cada probeta (la perdida de espesor en µm). Este criterio se encuentra respaldado por lo dispuesto en la ASTM Standard G99, en concordancia con la tabla II.1 del marco teórico según la ref. [41]. Este tipo de medición se denomina: Medición del desgaste por pérdida de la dimensión lineal. (Ver figura III.6). Pasaremos a describirlo brevemente. 57

58 Pérdida de la dimensión lineal Medir el desgaste por cambio de dimensión lineal es muy útil en muchas situaciones de ingeniería, donde ciertas dimensiones, tales como longitud, grosor o diámetro son para la función normal del sistema. Un perfilómetro de superficie se puede usar, como por ejemplo, un tipo de lápiz óptico, un micrómetro o un microscopio. La unidad para la pérdida de la dimensión lineal puede ser μm o mm. La Tasa de desgaste son los resultados calculados que reflejan pérdida de masa de desgaste, pérdida de volumen o cambio de dimensión lineal bajo la fuerza normal aplicada por unidad de tiempo y / o la distancia de deslizamiento de la unidad. En nuestro estudio, para los gráficos del desgaste en función del tiempo, la medición fue directa con micrómetro digital. Para los gráficos de desgaste en función del desplazamiento se tuvo que calcular la longitud recorrida en mts, en base a la probeta estándar (desgastador circular en forma de anillo) El recorrido o distancia deslizada se puede determinar de la siguiente forma: Recorrido = longitud de circunferencia del desgastador x (R.P.M) x Tiempo de ensayo (min) En nuestro caso, para los ensayos de desgaste se utilizó un desgastador de 40 mm de diámetro. La rotación ha sido constante (250 RPM) con lo cual se puede determinar la velocidad tangencial (m/min), y de acuerdo al tiempo utilizado se puede calcular fácilmente el desplazamiento o distancia recorrida. Fig.III.6. Medición de la probeta ensayada por perdida de dimensión lineal utilizando un micrómetro digital de exteriores 0.1 μm MDH-25M MITUTOYO. 58

59 III ADAPTACION DEL TORNO MHASA PARA REALIZAR EL ENSAYO DE DESGASTE SEGÚN NORMA ASTM D2782 Se tuvo que diseñar y luego adaptar un dispositivo que portaba al desgastador tal como se observa en la figura III.7. El resto del equipo corresponde al dispositivo AMSLER que se adapta al torno Mhasa para realizar ensayos de desgaste deslizante en seco. Las cargas que deben actuar en el proceso de desgaste también están especificada por la norma. Lo que se mide es la carga de presión de una bocina giratoria contra una pista estacionaria. La carga que debe llegar al punto de contacto debe determinarse en función de las cargas ubicadas en el dispositivo Amsler por una relación de momentos. Los valores estándares de carga recomendados, están en función del lubricante a usar. Equipo portaprobeta Probeta prismática Desgastador de anillo Barra portadesgastador Fig.III.7. Fotografía que muestra el acoplamiento del sistema de desgaste al dispositivo Amsler. II EJECUCION DEL ENSAYO DE DESGASTE ADHESIVO. Se realizó en el Torno paralelo MHASA con dispositivo tipo Amsler, siguiendo la configuración bloque sobre anillo (Fig.III.5.). En este caso es al anillo a quien le corresponde trabajar como desgastador (ver figura III.7, y anexos). Dispositivo para ensayo de desgaste El dispositivo toma como referencia la norma ASTM D2714. Esta norma describe detalladamente un aparato para ensayos de desgaste por contacto deslizante plano 59

60 cilindro, cuyo método de prueba se explica en la norma ASTM G77. Basado en el método de Amsler, trabaja conjuntamente con un torno horizontal que sostiene la portaprobeta girando a una velocidad recomendada para el ensayo. Utiliza como desgastador una pastilla tipo anillo circular de carburo de tungsteno. Procedimiento Antes del ensayo se limpiaron las probetas, para dejarlas libres de sustancias extrañas y así hacer la medida correcta y anotar el dimensión inicial. Se tuvieron que pulir las dos caras de las probetas prismáticas usadas para el desgaste adhesivo (probetas planas) para asegurar el paralelismo y asegurar la medición utilizando el criterio de desgaste por medición, como se explicará oportunamente. En esta oportunidad los ensayos se ejecutaron con tres variaciones de carga diferentes: 30N, 50N y 100N, a una velocidad constante de 250 rpm, y los tiempos de ensayo fueron: 10, (min) Estas variaciones de carga se hicieron con las pesas que se disponen para acoplar al dispositivo Amsler y los tiempos se cronometraron. El desgaste con respecto al tiempo o a la distancia recorrida por deslizamiento fue registrado para todas las muestras con los tres tratamientos térmicos aplicados, y con tres variaciones de carga diferentes para cada uno. Luego se obtuvo el índice de desgaste respecto al tiempo o respecto a la distancia de deslizamiento para cada muestra. Los gráficos se elaboraron para cada tipo de tratamiento térmico y poder de esta manera determinar cómo responden a las variaciones de carga. La variación del tiempo nos proporcionó un indicador de cómo evoluciona el desgaste con este parámetro bajo diferentes condiciones de carga. 60

61 Dispoditivo de desgaste Control de Cargas Fig.III.8. Fotografía que muestra el ensayo de desgaste deslizante, donde se muestra el montaje del equipo Amsler acoplado al torno Mhasa ubicado en el laboratorio de Máquinas Herramientas-UNT A continuación, pasaremos a describir este sistema de acoplamiento. Se realizó en el Torno MHASA acoplando un dispositivo tipo Amsler ubicado en el laboratorio de máquinas herramientas de la escuela de Ing. Mecánica-UNT. (fig III.8). Previamente se limpiaran las probetas, para dejarlas libres de sustancias extrañas y así hacer una medición correcta y anotar la medida antes del desgaste y después del desgaste de la muestra. Para la medición se utilizó el Micrómetro digital de exteriores 0.1 μm MDH-25M MITUTOYO. (ver anexos). III.4.5. ENSAYOS DE MICROSCOPIA. La microestructura se analizó a nivel óptico, para lo cual se dispuso del Microscopio, Zeiss 1000X, perteneciente a la escuela de Ingeniería Metalurgica de la UNT. (ver anexos) Para poder revelar la microestructura de las muestras, se cortaron pequeñas muestra representativa de las probetas después de los ensayos de desgaste. Luego se procedió al encapsulado de las muestras con resina poliéster, desbastando, puliendo y atacando químicamente las superficies pulidas. Posteriormente se volverán a encapsular todas las muestras en moldes metálicos para así lograr una superficie plana en el desbaste y pulido. 61

62 El desbaste se hizo con lijas desde grado 220 hasta 1000, con abundante agua. Luego se pulieron en paño de pana con alúmina desde grado 5 µ, 3µ, 1µ, hasta 0.3 µ y agua, por 30 seg. Se atacaran con reactivo Nital- 3%, durante 60 seg, y posteriormente con el reactivo Vilella y quedaron listas para llevarlas al microscopio y revelar su microestructura. La secuencia de pasos de preparación de las muestras las podemos observar en la figura III.9. Fig.III.9. Secuencia de preparación de probetas para ensayos de microscopía. 62

63 CAPITULO IV RESULTADOS Y DISCUSION IV.1. RESULTADOS DE DUREZA. Tabla IV.1. Resultados de dureza de las muestras sometidas a diferentes tratamientos térmicos. Se realizaron tres (03) indectaciones por muestra. Tratamiento DUREZA (HRC) HRC1 HRC2 HRC3 HRC (prom) Recocido 39,0 40,1 40,3 39,8 Normalizado 42,5 42,7 42,9 42,7 Templado en agua 47,4 47,6 48,1 47,7 DUREZA DE LAS MUESTRAS Dureza (HRC) RECOCIDO NORMALIZADO TEMPLADO EN AGUA Tratamiento térmico Fig. IV.1. Gráfico que muestra la dureza de las muestras para diferentes tratamientos térmicos del acero ASTM A182, sin ser sometido a ningún ensayo posterior. 63

64 IV.2. RESULTADOS DEL DESGASTE. IV.2.1. DESGASTE EN FUNCION DE LA CARGA Y TIEMPO DE ENSAYO Tabla IV.2. Resultados del desgaste deslizante en muestras de acero ASTM A182, con diferentes tratamientos, en función de la carga y tiempo de ensayo. La medición del desgaste se realizó en concordancia con la norma ASTM G99. Medida del desgaste deslizante (µm) en función del tiempo (min) Tratamiento RECOCIDO NORMALIZADO TEMPLE (agua) Carga de ensayo (N) Tiempo de ensayo (min) Desgaste producido (µm) IV.2.2. DESGASTE EN FUNCION DE LA DISTANCIA DE DESLIZAMIENTO. Si tenemos en cuenta que el diámetro del desgastador es ø = 40 mm se puede calcular la velocidad tangencial aplicando la relación: Vt = πdn/1000 Donde: n= 250 rpm (velocidad de rotación empleada, cte) d = diámetro del desgastador = 40 mm. Vt = Velocidad tangencial (m/min) Haciendo cálculos tenemos: Vt = 31,4 m/min (constante en todos los ensayos) Luego la distancia de deslizamiento (SD) se obtendrá multiplicando este valor por cada uno de los tiempos empleados en el experimento, donde tendríamos los siguientes valores que permanecerían constantes en todos los ensayos: 64

65 Para 10 min SD= 314 m. Para 20 min SD= 628 m Para 30 min SD= 942 m. Para 40 min SD= 1256 Para 50 min SD= 1570 m. Para 60 min SD= 1884 m. Con estos datos queda establecida la tabla IV.3 y luego podemos construir la gráfica de las figuras: IV.3, IV.5 y IV.7, que relaciona la distancia de deslizamiento en función del desgaste que produce. (SD vs desgaste) Tabla IV.3. Resultados del desgaste deslizante en muestras de acero ASTM A182, con diferentes tratamientos, en función de la carga y la distancia recorrida por deslizamiento. La medición del desgaste se realizó según la norma ASTM G99. Medida del desgaste deslizante (µm) en función del deslizamiento (m) Tratamiento RECOCIDO NORMALIZADO TEMPLE (agua) Carga de ensayo (N) Distancia recorrida (m) Desgaste producido (µm)

66 IV.2.3. GRAFICOS DE LOS RESULTADOS DE DESGASTE. IV DESGASTE EN MUESTRAS RECOCIDAS. 250 Desgaste deslizante en función de la carga y tiempo [muestras RECOCIDAS] Desgaste (µm) N 50 N 100 N Tiempo de ensayo (min) Fig. IV.2. Curvas de desgaste en función del tiempo para muestras recocidas de acero ASTM A182, sometidas a diferentes condiciones de carga. 250 Desgaste deslizante en función de la carga y distancia reccorrida en muestras RECOCIDAS Desgaste (µm) N 50 N 100 N Distancia de deslizamiento (m) Fig. IV.3. Curvas de desgaste en función de la distancia recorrida para muestras recocidas de acero ASTM A182, sometidas a diferentes condiciones de carga. 66

67 IV DESGASTE EN MUESTRAS NORMALIZADAS. 300 Desgaste deslizante en función de carga y tiempo [muestras NORMALIZADAS] Desgaste (µm) N 50 N 100 N Tiempo de ensayo (min) Fig.IV.4.Curvas de desgaste en función del tiempo para muestras normalizadas de acero ASTM A182, sometidas a diferentes condiciones de carga. 300 Desgaste deslizante en función de la distancia recorrida [muestras normalizadas] Desgaste (µm) N 50 N 100 N Distancia de deslizamiento (m) Fig. IV.5. Curvas de desgaste en función de la distancia recorrida para muestras normalizadas de acero ASTM A182, sometidas a diferentes condiciones de carga. 67

68 IV DESGASTE EN MUESTRAS TEMPLADAS. 300 Desgaste deslizante en función de la carga y tiempo [ muestras templadas] Desgaste (µm) N 50 N 100 N Tiempo de ensayo (min) Fig. IV.6. Curvas de desgaste en función del tiempo para muestras templadas y revenidas del acero ASTM A182, sometido a diferentes condiciones de carga. 300 Desgaste deslizante en función de la distancia recorrida [muestras templadas] 250 Desgaste (µm) N 50 N 100 N Distancia de deslizamiento (µm) Fig. IV.7. Curvas de desgaste en función de la distancia recorrida para muestras templadas en agua del acero ASTM A182, sometidas a diferentes condiciones de carga. 68

69 IV.3. TASA DE DESGASTE DESLIZANTE EN FUNCION DEL TIEMPO Tabla IV.3. Tasa de desgaste deslizante función del tiempo, en muestras de acero ASTM A182, con diferentes tratamientos, en función de la carga y la distancia recorrida por deslizamiento. La medición del desgaste se realizó según la norma ASTM G99. Tasa de desgaste deslizante (µm) en función del tiempo (min) Tratamiento RECOCIDO NORMALIZADO TEMPLE (agua) Carga de ensayo (N) Tiempo de ensayo (min) Tasa de desgaste (µm/min) 30 8,5 5,25 3,66 3,125 2,8 2,5 50 7,0 5,25 4,16 3,45 3,0 2, ,0 7,25 5,83 4,5 3,62 3, ,5 5,9 4,56 3,80 3,5 2, ,7 8,75 7, ,4 4, ,0 6,6 5,46 4,5 4,4 3, ,9 5,35 4,6 4,1 3,62 3, ,9 7,5 6,0 5,25 4,7 4, ,5 3,1 2,9 2,5 2,24 2,2 69

70 IV.3.1. GRAFICOS DE LAS TASAS DE DESGASTE. IV TASA DE DESGASTE PARA MUESTRAS RECOCIDAS. Tasas de desgaste en función del tiempo [muestras RECOCIDAS] Tasa de desgaste (µm/min) Tiempo de desgaste (mín) Series1 Series2 Series3 Fig. IV.8. Curvas de tasa de desgaste en función del tiempo para muestras recocidas de acero ASTM A182, sometido a diferentes condiciones de carga. Curvas de tendencia de las tasas de desgaste respecto al tiempo [muestras RECOCIDAS] 30 N 50 N 100 N Tasa de desgaste (µm/mín) Polinómica (30 N) Polinómica (50 N) Polinómica (100 N) ~ Cte Tiempo de desgaste (mín) Fig. IV.9. Curvas de tendencia de tasa de desgaste en función del tiempo para muestras recocidas de acero ASTM A182, sometido a diferentes condiciones de carga. 70

71 IV TASAS DE DESGASTE PARA MUESTRAS NORMALIZADAS. Tasa de desgaste (µm/min) Tasas de desgaste en función del tiempo [ muestras normalizadas] Tiempo de desgaste (min) 30 N 50 N 50 N Fig. IV.10. Curvas de tasa de desgaste en función del tiempo para muestras normalizadas de acero ASTM A182, sometido a diferentes condiciones de carga. Tasa de desgaste (µm/min) Curvas de tendencia de las tasas de desgaste respecto al tiempo [muestras normalizadas] 30 N 50 N 100 N Polinómica (30 N) Polinómica (50 N) Polinómica (100 N) Tiempo de desgaste (min) ~ Cte Fig. IV.11. Curvas de tendencia de tasa de desgaste en función del tiempo para muestras normalizadas de acero ASTM A182, sometido a diferentes condiciones de carga. 71

72 IV TASAS DE DESGASTE PARA MUESTRAS TEMPLADAS. 12 Tasas de desgaste en función del tiempo [muestras templadas] Tasa de desgaste (µm/min) N 50 N 100 N Tiempo de desgaste (min) Fig. IV.12. Curvas de tasa de desgaste en función del tiempo para muestras templadas en agua del acero ASTM A182, sometido a diferentes condiciones de carga. Curvas de tendencia de las tasas de desgaste respecto al tiempo [muestras templadas] Series1 serie 2 serie 3 Tasa de desgaste (µm/min) Polinómica (Series1) Polinómica (serie 2) Polinómica (serie 3) ~ Cte Tiempo de desgaste (min) Fig. IV.13. Curvas de tendencia de tasa de desgaste en función del tiempo para muestras templadas en agua del acero ASTM A182, sometido a diferentes condiciones de carga. 72

73 IV.4. RESULTADOS DE DESGASTE DESLIZANTE MANTENIENDO LA CARGA CONSTANTE. Tabla IV.4. Resultados del desgaste deslizante (µm) en función del tiempo (min) en muestras de acero ASTM 182, manteniendo la carga constante. Medida del desgaste deslizante (µm) en función del tiempo (min) para una carga constante (N) Tiempo de ensayo (min) CARGA DE ENSAYO 30 N 50 N 100 N Tratamiento Desgaste producido (µm) Recocido Normalizado Temple Recocido Normalizado Temple Recocido Normalizado Temple

74 IV.4.1. CURVAS DE DESGASTE PARA CARGA CONSTANTE. 250 Curvas de desgaste para carga de 30 N 200 Desgaste (µm) Recocido Normalizado Temple Tiempo de desgaste (min) Fig. IV.14. Curvas de desgaste en función del tiempo de ensayo bajo una carga constante de 30 N en muestras de acero ASTM A182, sometidas a diferentes tratamientos térmicos Curvas de desgaste para carga de 50 N Desgaste (µm) Recocido Normalizado Temple Tiempo de desgaste (min) Fig. IV.15. Curvas de desgaste en función del tiempo de ensayo bajo una carga constante de 50 N en muestras de acero ASTM A182, sometidas a diferentes tratamientos térmicos. 74

75 250 Curvas de desgaste para carga de 100 N 200 Desgaste (µm) Recocido Normalizado Temple Tiempo de desgaste (min) Fig. IV.16. Curvas de desgaste en función del tiempo de ensayo bajo una carga constante de 100 N en muestras de acero ASTM A182, sometidas a diferentes tratamientos térmicos. IV.5. TASA DE DESGASTE PARA CARGA CONSTANTE. Tabla IV.5. Evaluación de la tasa de desgaste deslizante (µm) en función del tiempo (min) en muestras de acero ASTM 182, manteniendo la carga constante. Medida de la tasa desgaste deslizante (µm) en función del tiempo (min) para una carga constante (N) Tiempo de ensayo (min) CARGA DE ENSAYO 30 N 50 N 100 N Tratamiento Desgaste producido (µm) Recocido 8,5 5,25 3,7 3,1 2,8 2,5 Normalizado 3,5 5,9 4,6 3,8 3,5 2,96 Temple 6,9 5,35 4,7 4,0 3,62 3,3 Recocido 7,0 5,25 4,2 3,45 3,0 2,7 Normalizado 12,7 8,75 7,3 6,2 5,4 4,6 Temple 10,9 7,5 6,0 5,25 4,7 4,1 Recocido 11,0 7,25 5,8 4,5 3,62 3,33 Normalizado 11,0 6,6 5,5 4,5 4,4 3,8 Temple 3,5 3,1 3,0 2,5 2,24 2,16 75

76 IV.5.1. CURVAS DE TASA DE DESGASTE PARA CARGA CONSTANTE Curvas de tasa de desgaste para 30 N 9 Tasa de desgaste (µm/min) Recocido Normalizado Temple Tiempo de desgaste (min) Fig. IV.17. Curvas que muestran la tasa de desgaste en función del tiempo de ensayo bajo una carga constante de 30 N en muestras de acero ASTM A182, sometidas a diferentes tratamientos térmicos. Curvas de tasa de desgaste para 50N 14 Tasa de desgaste (µm/min) Recocido Normalizado Temple Tiempo de desgaste (min) Fig. IV.18. Curvas que muestran la tasa de desgaste en función del tiempo de ensayo bajo una carga constante de 50 N en muestras de acero ASTM A182, sometidas a diferentes tratamientos térmicos. 76

77 12 Curvas de tasa de desgaste para 100 N Tasa de desgaste (µm/min) Recocido Normalizado Temple Tiempo de desgaste (min) Fig. IV.19. Curvas que muestran la tasa de desgaste en función del tiempo de ensayo bajo una carga constante de 100 N en muestras de acero ASTM A182, sometidas a diferentes tratamientos térmicos. IV.6. ANALISIS DE MICROESTRUCTURA IV.6.1. MICROESTRUCTURA CON TRATAMIENTO TERMICO SIN DESGASTE. 50 µm Fig. IV.20. Muestras recocida. Se observa una estructura de bainita superior y cierta cantidad de ferrita. 77

78 50 µm Fig. IV.21. Muestras normalizadas. Se observan las mismas fases, bainita con algunas cantidades de ferrita; presentando un grano más fino que el caso anterior 50 µm Fig. IV.22. Muestras templadas. Se observa una estructura totalmente bainítica con cierta cantidad de ferrita. 78

79 IV.6.2. MICROESTRUCTURAS DE MUESTRAS RECOCIDAS CON DESGASTE. a) 30 N b) 50 N c) 100 N Fig. IV.23. Superficies desgastadas en muestras recocidas sometida a cargas: a) 30N, b) 50N, c) 100N., 300x, Nital 2% 79

80 IV.6.3. MICROESTRUCTURAS DE MUESTRAS NORMALIZADAS CON DESGASTE. a) 30 N b) 50 N c) 100 N Fig. IV.24. Superficies desgastadas en muestras normalizadas sometida a cargas: a) 30N, b) 50N, c) 100N., 300x, Nital 2% 80

81 IV.6.4. MICROESTRUCTURAS DE MUESTRAS TEMPLADAS CON DESGASTE. a) 30 N b) 50 N c) 100 N Fig. IV.25. Superficies desgastadas en muestras templadas sometida a cargas: a) 30N, b) 50N, c) 100N., 400x, Nital 2% 81

82 IV.7. DISCUSION DE RESULTADOS SOBRE LA DUREZA. Las medidas de dureza se realizaron en las muestras tratadas donde no se aplicaron los ensayos de desgaste. Representan los valores a los valores después de realizados los tratamientos térmicos. Los resultados se observan en la tabla IV.1 y figura IV.1. El resultado máximo es 47,7 HRC que corresponde a las muestras templadas, seguidas por las muestras normalizadas con 42,7 HRC, y luego vienen las muestras revenidas con 39,8 HRC. Se puede observar que la diferencia de las muestras templadas respecto a las normalizadas es de 5 HRC, y respecto a las recocidas de 8 HRC. Si tenemos en cuenta que la dureza de la martensita pura está por encima de los 50 HRC, significa que el temple no ha sido martensitico o que la velocidad d enfriamiento no ha sido la adecuada para generar martensita pura. Esto se puede justificar si observamos la figura IV.22 que muestra la microestructura de las probetas templadas. Allí se observa una estructura totamente bainitica con pequeños rastros de ferrita lo que justifica el valor obtenido de dureza. Podemos afirmar que lo que se ha producido es un temple bainitico, debido al corrimiento de la curva de transformación TTT muy hacia la izquierda o con cortes en esta zona, lo que hace muy dificultoso o tal vez imposibilite que se pueda realizar un temple martensitico. Algo parecido sucede con las muestras normalizadas y recocidas (Figs, IV.20 y IV.21), donde se observa una mezcla de bainita y ferrita en diversa proporciones, teniendo mayor tamaño de grano y mayor cantidad de ferrita las muestras recocidas. Estos detalles hacen que las durezas no difieran mucho respecto a las muestras templadas y sean altas respecto a la dureza que presentan los aceros al carbono que bajo estos tratamientos, adquieren una combinación de perlita y ferrita, que son estructuras suaves. SOBRE EL DESGASTE. Los resultados de desgaste respecto al tiempo lo podemos observar en la tabla IV.2 y respecto a la distancia deslizada o recorrida en la tabla IV.3. Para muestras recocidas. En la Fig. IV.2. podemos observar las curvas de desgaste en función del tiempo para muestras recocidas bajo diferentes condiciones de carga. El mayor valor de desgaste fue de 198 µm obtenida durante 60 seg en un ensayo bajo 100N de carga. 82

83 Las muestras que presentaron el mayor desgaste en todo el intervalo de tiempos fueron las muestras sometidas a 100N de carga, seguidas por las de 50N y 30N. Se observa que en las muestras sometidas a 100N existe bastante diferencia respecto a las muestras sometidas a 50 y 30N y que en estos dos últimos casos los valores de desgaste son muy cercanos. Esto indica que las muestras normalizadas son más resistentes al desgaste para una carga de 30 N. Para muestras normalizadas En la Fig. IV.4. podemos observar las curvas de desgaste en función del tiempo para muestras recocidas bajo diferentes condiciones de carga. El mayor valor de desgaste fue de 276 µm obtenida durante 60 seg, en un ensayo bajo 50N de carga. Las muestras que presentaron el mayor desgaste en todo el intervalo de tiempos fueron las muestras sometidas a 50N de carga, seguidas por las de 100N y 30N. Esto indica que las muestras normalizadas son más resistentes al desgaste para una carga de 30 N. Para muestras templadas En la Fig. IV.6. podemos observar las curvas de desgaste en función del tiempo para muestras templadas bajo diferentes condiciones de carga. El mayor valor de desgaste fue de 248 µm obtenida durante 60 seg, en un ensayo bajo 50N de carga. Las muestras que presentaron el mayor desgaste en todo el intervalo de tiempos fueron las muestras sometidas a 50N de carga, seguidas por las de 30N y 100 N. Esto nos indica que las muestras templadas son más resistentes al desgaste para una carga de 100N. Los resultados nos indican que el tratamiento térmico influye considerablemente con la resistencia al desgaste y que el tiempo de ensayo también lo incrementa; pero, en el caso de la carga, no se puede establecer una regla general. La relación: A mayor carga tenemos mayor desgaste, para nuestro caso, la hemos encontrado solamente en las muestras recocidas. Estos resultados aparentemente contradictorios se pueden justificar de la siguiente manera: Las muestras templadas presentan una estructura totalmente compuesta de bainita y las otras son una combinación de (bainita+ferrita) y carburos. Desde un punto de vista estructural, lo ocurrido nos indica que una combinación de (bainita+ferrita) en algunos casos podría ser más resistente al desgaste que una estructura totalmente bainitizada. La bainita, es un constituyente que si bien tiene buena dureza, lo que más asegura es su alta tenacidad, pero no necesariamente el desgaste. Por otro lado; Esta bien establecido en la literatura especializada, que la dureza no esta relacionada directamente con el desgaste. La mayor influencia en el desgaste la ejercen los carburos, donde los observamos en las 83

84 estructuras normalizadas y recocidas. Por otro lado, las elevadas cargas incrementan la temperatura del proceso, generando cambios superficiales que alteran el coeficiente de fricción y este incremento del coeficiente de fricción se traduce en un mayor desgaste. Así mismo podemos decir: Lo más probable que haya ocurrido es la formación de escamas de óxido en la superficie debido al incremento de temperatura. Este aumento de la temperatura del material favorece la formación de incrustaciones de óxido que conduce al patrón oxidativo y tiene una alta resistencia al desprendimiento, lo que inhibe el desgaste adicional del material. Este mismo análisis y discusión se aplica a los resultados de las muestras normalizadas. Podemos concluir afirmando, que si bien el incremento de tiempo en los ensayos de desgaste, incrementan su valor; no siempre el incremento de carga va acompañado de un mayor desgaste en una muestra. SOBRE LA TASA DE DESGASTE. Las curvas que presentan las tasas o rapidez de desgaste respecto al tiempo se pueden observar desde la figura IV.8 hasta la IV.12. Todas las curvas presentan una tendencia decreciente, la tasa de desgaste disminuye con el tiempo en todos los casos hasta lograr una pendiente casi horizontal (tasa constante) que indica que el desprendimiento de material se produce de manera uniforme respecto al tiempo. Para las muestras recocidas la tasa es constante a partir de los 40 minutos. Para las muestras normalizadas a partir de los 50 minutos y para las muestras templadas a partir de los 40 min. Las mayores pendientes de tasas de desgaste se observan en las muestras recocidas y normalizadas; mientras que las muestras templadas presentan las más bajas tasas de desgaste donde se puede observar que la tasa de desgaste de las muestras templadas con una carga de 100 N es casi una horizontal. SOBRE EL DESGASTE CON CARGA CONSTANTE. Los resultados se pueden observar en la tabla IV.4 y figuras IV.14, IV.15 y IV.16. En la figura IV.14 observamos que si hacemos el ensayo con una carga de 30 N, las muestras templadas presentaran el mayor desgaste, seguidas de las muestras normalizadas con una ligera diferencia y las muestras recocidas presentan el menor desgaste. 84

85 En la figura IV.15 observamos que si hacemos el ensayo con una carga de 50 N, las muestras normalizadas presentan el mayor desgaste seguidas de las muestras templadas y luego recocidas que presentan el menor desgaste. En la figura IV.16 observamos que si hacemos el ensayo con una carga de 100 N, las muestras recocidas presentan el mayor desgaste hasta un tiempo de 40 min y a partir de allí son las muestras normalizadas las que presentan el mayor desgaste. Para este caso son las muestras templadas las que proporcionan el menor desgaste. La explicación a estos fenómenos son las mismas hechas para el caso de la discusión del desgaste con cargas variables. Se concluye que para un análisis bajo carga constante siempre el tiempo incrementa el desgaste, siempre hay una relación directa, pero con respecto a la carga no hay relación establecida. MICROESTRUCTURA. Las microestructuras de las muestras luego de ser tratadas térmicamente se encuentran en las figuras: IV.20, IV.21 y IV.22. La discusión de éstas ha sido tratada en los ensayos de dureza y de desgaste respectivamente como una interpretación de los resultados. La microestructura de las muestras desgastadas las podemos observar desde la figura IV.23 hasta la IV.25. En todas ellas se pueden observar los rasguños blancos vistos en la superficie desgastada que revela la cantidad de desgaste y también la dirección en la que se produce el desgaste y el patrón que siguen. 85

86 CONCLUSIONES 1. Los resultados de dureza no muestran diferencias significativas entre las muestras templadas, normalizadas y recocidas. La razón radica en el hecho de haberse producido un Temple bainitico y no un temple martensitico. 2. La máxima dureza: 47,7 HRC, se encuentra en las muestras templadas, seguidas por las normalizadas con 42,7 HRC, y luego las recocidas con 39,8 HRC. La diferencia de las muestras templadas respecto a las normalizadas es de 5 HRC, y respecto a las recocidas de 8 HRC. 3. Al incrementar el tiempo de ensayo se incrementa el desgaste para todo tipo de carga y tratamiento térmico; pero, no siempre el incremento de carga va acompañado de un mayor desgaste en las muestras, independientemente del tratamiento. 4. El mayor valor de desgaste de las muestras recocidas se obtuvo con una carga de 100N. Para las muestras normalizadas con 50N y para las muestras templadas con 50N. Estos valores nos indican que un incremento de carga no siempre va en relación directa con el desgaste. El incremento de temperatura con la carga, durante el ensayo, explica este comportamiento. 5. la tasa de desgaste disminuye con el tiempo en todos los casos, hasta lograr una pendiente casi horizontal (tasa constante). Para las muestras recocidas la tasa es constante a partir de los 40 minutos; para las muestras normalizadas a partir de los 50 minutos y para las muestras templadas a partir de los 40 min. 6. Las mayores tasas de desgaste se observan en las muestras recocidas y normalizadas; las muestras templadas presentan muy bajas tasas, donde encontramos una tasa casi constante para una carga de 100 N. 7. Para los ensayos de desgaste con carga constante el tiempo incrementa el desgaste, la relación es directa, pero con respecto a la carga no hay relación establecida. 8. Las muestras templadas presentan una estructura totalmente compuesta de bainita y las muestras recocidas y normalizadas, son una combinación de (bainita+ferrita); lo cual indica que una combinación de (bainita+ferrita) en algunos casos podría ser más resistente al desgaste que una estructura totalmente bainitizada. 9. Se concluye que la resistencia al desgaste adhesivo del acero en estudio, se relaciona de manera conjunta con las tres variables: tiempo de ensayo, carga aplicada y tratamiento térmico y no de manera aislada o parametrada. 86

87 RECOMENDACIONES 1. Se debe continuar el estudio con este mismo material, utilizando otros tratamientos como: Austempering, martempering, recocido de esferoidización y otros; para observar con más detalle, cuanto influye el tratamiento térmico aplicado y su estructura en el fenómeno de desgaste deslizante. 2. También es recomendable buscar la manera de lograr el temple maertensitico como estructura de partida, y establecer la comparación entre la resistencia al desgaste de un mismo acero sometido por un lado, a temple bainitico y por otro, a temple martemnsitico. 3. Se recomienda elegir correctamente el material del desgastador, pues la relación de contacto desgastador- probeta, define el coeficiente de fricción; pues si este coeficiente de fricción resulta muy alto se incrementa el calor y la temperatura. Como se dijo anteriormente, las altas temperaturas pueden generar escamas de óxido que retarden el desgaste del material. En otros térmicos el proceso de desgaste debe realizarse con el mínimo de desprendimiento de calor que evite se eleve la temperatura a niveles perjudiciales y los ensayos puedan arrojar valores más fidedignos. 87

88 REFERENCIAS [1]. Geller, Y. Tool Steels, Mir Publishers Moscow, 1978 [2] J.C. Van Wortel, C.F. Etienne, F. Arav, Application of modified 9chromium steels in power generation components, in: VDEh ECSC Information Day, The Manufacture and Properties of Steel91 for the Power Plant and Process Industries, Dusseldorf, 5th November, 1992, paper 4.2. [3] T. Fujita, Current progress in advanced high Cr steel for high temperature applications ISIJ Int. 32 (2) (1992), 175. [4] Devia Narvaez D. M., Mecanismos de desgaste en herramientas de conformado con recubrimientos de TiAlN por medio de sistemas PAPVD, Tesis para optar el grado de Doctor en Ciencia y tecnología de los Materiales, Universidad Nacional de Colombia, Medellín, 2012, p. 1. [5]. Rabinowicz E., Friction and Wear of Materials, John Wiley and Sons, (1995). [6]. Williams J.A., Tribology International 38 (2005): pp [7] Cubillán T., Alfredo Y Liccionis F., ; Estudio de la resistencia al desgaste del acero AISI 4340 bajo condiciones de deslizamiento sin lubricación, Tesis para optar el título de Ing. Mecánico en la Universidad Central de Venezuela, Caracas, 2002 [8] Pritchard S.B.,Trowsdale A.J. Dual phase steel-high strength fasteners without heat treatment corus construction and industrial.uk; 2002.p [9] H. Zum Gahr, Microstructure and Wear of Materials, Tribology Series 10, Elsevier Science Publishing Company, 1987, pp 1 and 8. [10] H.P. Jost, Lubrication (Tribology) - A Report of the Present Position and Industry's Needs. Dep. of Education and Science, H.M. Stationary Office, London 1, pp 80. [11] Bhushan B., Gupta B.K., Handbook of Tribology, Materials, coatings and surface treatments McGraw-Hill, (1991). [12] A. Kasak, T. Neumayer, Observations on wear of high-hardness steels, Wear 14 (1969) [13] G. Steven, J. Catlin, A controlled dry wear test for high-hardness tool steels, J. Mater. 1 (1966) [14] Hombogen, E., Description of Wear of Materials with Isotropic and Anisotropic Microstructures. In: Metallurgical Aspects of Wear. German Society of Metallurgy (DGM). [15] Hornbogen, E. Micro structure and Wear. In: Metallurgical Aspects of Wear. German Society of Metallurgy (DGM) (1979). 88

89 [16] Zum-Gahr, K.H. How Microstructure Affects Abrasive Wear Resistance. Metal Progress (1979). [17], Perez Unzueta, A. Tesis Doctoral. Wear Resistance of Pearlitic Rail Steels. University of Leicester, UK (1993). [17]. Devaraju A., Elayaperumal A., International Journal of Engineering Science and Technology, 2 (2010): pp [19] Kumar N., Das C.R., Dash S., Tyagi A.K., Bhaduri A.K. Baldev R., Tribology Transactions, 54 (2011): pp. 62. [20] G.A. Fontalvo, R. Humer, C. Mitterer, K. Sammt, I. Schemmel; Microstructural aspects determining the adhesive wear of tool steels, Science Direct, Wear 260 (2006) [21] A. Gåård, N. Hallbäck, P. Krakhmalev, J. Bergström,, Temperature effects on adhesive wear in dry sliding contacts, Elsevier, Wear 268 (2010) [22] G. Rasool, M.M. Stack, Mapping the role of Cr content in dry sliding of steels: Comparison between maps for material and counterface, Tribology International 80 (2014) 49 57, Elsevier. [23] Rosario Francia S., (2008) Aceros especiales, Aceros Bohler del Perú [24] Glyn Meyrick (2001) Physical Metallurgy of Steel Class Notes and lecture material. For MSE , p.12 Ohio state [25] Apraiz Barreiro J., (1971), Tratamientos térmicos de los aceros, 7ma. Edic., Edit. Mossat, Madrid, p.69. [26] Martínez, F. (2000), Tecnología del Tratamiento Térmico: Un Enfoque Sistémico. La Habana: Félix Varela. [27] Mangonon, L. (2001) Ciencia de Materiales: Selección y Diseño. México: Pearson Educación [28] Diccionario Enciclopédico Técnico. (1974), Materiales Siderúrgicos. La Habana: CientíficoTécnica; Factoresdel diagrama temperatura-tiempo- transformación; p [29] Pero-Sanz Elorz, J. (2000), Transformaciones en Estado Sólido en el SistemaFe-C. En: Ciencia e Ingeniería de Materiales: Estructura, Transformaciones, Propiedades y Selección. 3ra ed. Madrid: Dossat; p [30]. BATES, C.; TOTTEN, G.; BRENNAN, R. (2005) Quenching of Steel En: ASM Handbook, Vol. 4Heat Treating; p

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91 ANEXOS 91

92 ANEXO 1. EQUIPOS UTILIZADOS EN EL EXPERIMENTO. TORNO EQUIPADO CON DISPOSITIVO AMSLER PARA ENSAYOS DE DESGASTE 92

93 DISPOSITIVO DE DESGASTE Y FORMA DE ENSAYO MICROMETO DIGITAL PARA TOMA DE MEDIDAS DESGASTADAS Fig III.7. Micrómetro empleado en el experimento: MITUTOYO, rango de mm, con precisión de ± 2µm, utilizado para la medición de los diámetros exteriores entre los extremos de la pieza maquinada y determinar la diferencia como indicador del desgaste. 93

94 HORNO DE MUFLA DE ALTA RESISTENCIA UBICACIÓN : LABORATORIO DE ENSAYOS MECÁNICOS DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA-Escuela Ing. Mecánica. CARACTERISTICAS TECNICAS. Máxima temperatura: 1000 C. - Insulación de ladrillo refractrario de alta resistencia. Duro, resistente a la abrasión, diseñado para aguantar cargas pesadas. - Caja de acero resistente aguanta las demandas más exigentes. - La puerta está llena con cemento refractario para un uso de larga vida. - Para mayor seguridad la puerta es de contrapeso y se abre hacia arriba, el lado caliente está alejado del lado por donde se opera. - Los elementos de calentamiento que están encajados en cemento refractario especial, tienen una larga duración, están protegidos contra materiales dañinos y vibraciones mecánicas. - Los elementos de calentamiento es tan ubicados en los cuatro lados de la cámara para transferencia máxima de calor y uniformidad en la cámara - Tienen una placa de cerámica para proteger la parte inferior del elemento de calentamiento. 94

95 DURÓMETRO DIGITAL IDENTEC Realizando la medición de dureza en las muestras tratadas Ubicación: Laboratorio de Ensayos mecánicos de la Escuela de Ing. Mecánica UNT. 95

96 MICROSCOPIO ZEISS Fig.III.8. Microscopio Zeiss 1000X, usado en los ensayos metalográficvos. Equipo perteneciente al laboratorio de ensayos Metalograficos-Escuela Ing. Metalúrgica.-UNT. CARACTERISTICAS El condensador precentrado y preenfocado elimina la necesidad de realizar ajustes EZTube Oculares integrados en los tubos para evitar pérdidas Las dioptrías están preajustadas, lo que evita ajustes incorrectos También están disponibles otros tubos visores Todo en uno Horquilla de condensador para contraste de fase y controles deslizantes de campo oscuro, además de capacidades de campo claro y de fase ofrecidas en un solo control deslizante de 4 posiciones patentado Iluminación perfecta 96

97 PULIDORA DE DOBLE DISCO: BSPIL MET-IND Componentes: 1. Dos discos: Sobre ellos se arreglan los paños para realizar el pulimento. 2. Arandelas : Su función es proteger los alrededores de los discos. 3. Tubo de desagüe. 4. Interruptor: Controla el paso de agua por la manguera de refrigeración. 5. Manguera de refrigeración. 6. Perilla: Controla la velocidad angular en los discos. 7. Interruptor de encendido. 97

98 ANEXO 2. INFORMACION TECNICA DE LOS ACEROS AL Cr- Mo Tabla 1. Composición química, Tabla 2. Temperaturas de transformación de fases. Tabla 3, fases menores presentes en las transformaciones de estos aceros. [La flecha roja indica nuestro acero en estudio]. Fuente: 98

99 ANEXO 3. MICROSTRUCTURAS DEL ACERO 9Cr-1Mo/ASTM A 182 MICROESTRUCTURAS DEL ACERO 9Cr-1 Mo para diferentes condiciones de laminado Fuente: Amarish K. Shukla, Dinesh Gond, M. Bharadwaj, D. Puri, Journal of Minerals & Materials Characterization & Engineering, Vol. 10, No.11, pp , 2011 jmmce.org Printed in the USA. 99

100 MICROESTRUCTURAS DEL ACERO 9Cr-1 Mo/ ASTM A 182, para diferentes condiciones de Normalizado (a) conventional normalizing, treatment at 1323 K, b) after wáter quenching from 1323, c)after subsequent normalizing at 1233 K Fuente: T. Karthikeyan, V. Thomas Paul, S. Saroja, A. Moitra, G. Sasikala, M. Vijayalakshmi, Journal of Nuclear Materials 419 (2011)