2.1 Introducción
En el presente capítulo, se presentan los aspectos fundamentales relacionados con la selección y trituración de los minerales para la fabricación de los electrodos tubulares en dependencia de su utilización en el consumible. Además, se ha realizado el tamizado y mezclado de los componentes a emplear en el revestimiento y en la carga aleante.
Finalmente se fabrican los alambres tubulares (el núcleo), a un diámetro de 4 mm y se cortan a una longitud de 350 mm. Los alambres una vez cortados y enderezados se les aplican el revestimiento con la mezcla seleccionada.
Por otra parte, se realizan depósitos de soldadura para evaluar el comportamiento tecnológico del consumible fabricado y evaluar posteriormente, lo referido al estudio de la estructura del metal aportado y la resistencia al desgaste abrasivo.
2.1.1 Ferroaleación utilizada en la carga aleante y en el revestimiento
En la fabricación de los alambres tubulares, la preparación de la carga y su composición constituyen aspectos muy importantes para garantizar la calidad de los depósitos. En este trabajo, la carga está constituida por una ferroaleación que aporta al depósito valores significativos de Si, y el V según se puede apreciar en la Tabla 2.1. Este último, aunque puede parecer que es bajo, ya se explicó en el primer capítulo que por cientos de este elemento en el orden del 0,1, ya ofrece propiedades importantes a los depósitos de relleno. Esta ferroaleación fue obtenida en el trabajo [3], mediante el proceso de aluminotermia, utilizando como materias primas fundamentales: Cascarilla de laminación; polvo de aluminio y catalizador de vanadio envenenado.
una granulometría entre 0,1 y 0,25 mm.
En la Tabla 2.2, se muestra la composición de la cinta para la fabricación del electrodo. Tabla 2.2. Composición de los elementos que intervienen en la cinta metálica
En el trabajo se utiliza un coeficiente de llenado de 0,42, y se determina de acuerdo a los cálculos realizados en otros trabajos [45]. Este coeficiente de llenado garantiza un grado de compactación de la carga capaz de retener la carga durante el proceso de corte de los electrodos.
2.1.2 Revestimiento utilizado en la fabricación del electrodo
Para el caso del C, se ha considerado que este elemento de aleación sea aportado a través del revestimiento con la adición de grafito.
De acuerdo a resultados obtenidos en otros trabajos [45], con la utilización de un 18 por ciento de grafito en el revestimiento (1,5 mm de espesor) se obtiene en la capa de relleno un por ciento de C entre 2,3 y 2,8, el cual es adecuado para depósitos de relleno destinados a contrarrestar el desgaste abrasivo.
Componente Composición química
Cinta metálica C=0,085%; Si=0,27%; Mn=0,5%;
aparecen en la Tabla 2.3, a partir de la proporción obtenida y evaluada en otros trabajos [46].
Tabla 2.3. Minerales utilizados en el revestimiento
De la misma manera que en caso de la carga aleante, para utilizar los minerales señalados en la Tabla 2.3, en el revestimiento del electrodo, éstos se trituraron y se tamizaron a una granulometría menor de 0,1 mm.
La proporción de los minerales utilizados en el revestimiento de acuerdo a resultados satisfactorios de otros trabajos precedentes [46], se muestran en la Tabla 2.4.
Tabla 2.4. Composición del revestimiento utilizado
2.2 Fabricación de los alambres tubulares
Un factor fundamental en la fabricación de los electrodos tubulares, es el tipo de sección transversal utilizada en este tipo de consumible el cual puede tener diversas configuraciones como se observa en la Figura 2.1.
Elemento Composición básica
Calcita 55 % CaO
Fluorita 95 % CaF2
Grafito 100 % C
% Calcita % Fluorita % Grafito Silicato de sodio (% respecto a la masa seca)
El perfil utilizado para la fabricación de electrodos tubulares, está en correspondencia al proceso de soldadura empleado y al sistema aleante utilizado, según se reporta en diversas fuentes bibliográficas [47] y lo analizado en el primer capítulo del presente trabajo. Para el caso de utilizar el método de soldadura manual por arco eléctrico, el perfil comúnmente empleado en la práctica, es donde la envoltura o cinta conforma un tubo con cierre a solape (Figura 2.1b); el uso de otros perfiles más complejos no ofrece ninguna ventaja significativa desde el punto de vista tecnológico.
Sobre los criterios anteriormente señalados, el cierre a solape es el empleado en la fabricación de los electrodos de la presente investigación, considerando además, que los perfiles más simples garantizan la adición de una mayor proporción de elementos aleantes en la carga; es decir se logra un coeficiente de llenado superior al 30 por ciento, garantizándose depósitos altamente aleados.
Para la fabricación de los electrodos tubulares del presente trabajo, se ha utilizado una máquina la cual se encuentra en el Laboratorio de Materiales para Soldar del Centro de Investigaciones de Soldadura de la Universidad Central de las Villas; la cual se muestra en la Figura 2.2a.
(a) (b)
Figura 2.2. Fabricación de los alambres tubulares con cierre a solape. a-Máquina utilizada, b-Alambre fabricado.
La máquina utilizada emplea la tecnología de fabricación de alambres tubulares, mediante el conformado y trefilado de los metales en frío, en correspondencia a lo explicado en el capítulo 1 del presente trabajo (Figura 1.14).
Para la adición de la carga al alambre se utiliza un dosificador (Figura 2.3), el cual puede ser regulado en cuanto a la altura y posición sobre un plato giratorio que proporciona los componentes sobre el alambre que está siendo conformado, asegurando con esto un coeficiente de llenado constante.
Figura 2.3. a- Esquema del sistema de llenado de los alambres tubulares (A- Alimentador de carga, B- Rasante, C- Pieza roscada, D- Plato); b- Sistema de la máquina utilizada.
laboratorio de materiales para soldar, especialmente diseñada y fabricada para este fin. Una vista de este equipo se presenta en la Figura 2.4.
Figura 2.4. Máquina de enderezado y corte de alambres tubulares.
Para revestir el electrodo se utilizó el proceso de inmersión, empleando la composición que aparece en la Tabla 2.4.
Una vez aplicado el revestimiento, los electrodos se secaron al aire durante 24 horas y posteriormente a una temperatura entre 150 y 200 ºC durante 2 horas.
En la Figura 2.5 se presentan los alambres tubulares fabricados correspondientes al sistema Fe-Si-V-C antes y después del enderezado.
(a) (b)
Figura 2.5. a- Alambres tubulares fabricados. a- antes del enderezado b- después del enderezado.
En la Figura 2.6 se muestran los electrodos fabricados, donde se puede apreciar la adherencia y uniformidad de la capa del revestimiento (1,5 mm de espesor), así como, la ausencia de porosidad y grietas.
Figura 2.6. Electrodos fabricados con la capa de revestimiento.
Para comprobar, el comportamiento del consumible desde el punto de vista tecnológico se realizaron depósitos de soldadura utilizando el régimen que parece en la Tabla 2.5.
Tipo de corriente CD
Con el régimen indicado, el electrodo garantiza un buen encendido del arco eléctrico, así como una buena estabilidad. La escoria desprende con facilidad sin la presencia de defectos superficiales, tales como poros, socavaduras, escoria atrapada y grietas.
En las Figuras 2.7 (a, b), aparecen los depósitos obtenidos con los electrodos para el estudio metalográfico y de desgaste, donde se aprecia la sanidad de los cordones.
(a) (b)
Figura 2.7. Depósito obtenido con el electrodo fabricado. a- Depósito para el estudio metalográfico; b- Depósito para el estudio a la resistencia al desgaste.
2.3 Metalografía y ensayo de desgaste
Para realizar la caracterización del metal aportado por los electrodos fabricados, se realizaron depósitos con 5 capas sobre placas de acero AISI 1020 (12 x 120 x 140 mm)
epígrafe anterior. Una vez realizado los depósitos, éstos se enfriaron hasta temperatura ambiente para no afectar la estructura.
Teniendo en cuenta el procedimiento establecido, el depósito se cortó por ambos lados tomando la zona del medio, utilizando una instalación perteneciente al Laboratorio de Metalografía del Centro de Investigaciones de Soldadura de la Universidad Central de las Villas, que permite el corte de las muestras con un disco abrasivo y el enfriamiento mediante líquido refrigerante.
Para la observación de las muestras en el microscopio, el desbaste de la superficie de las mismas se realizó inicialmente con diferentes tipos de lijas (120, 300, 400, 600, 1000) y finalmente fueron pulidas utilizando un paño y pasta abrasiva (Cr2O3 en suspensión). Para revelar la estructura y garantizar su observación en el microscopio, se utilizó como reactivo para el ataque, Nital al 2 %, durante 15 segundos. Este procedimiento se realizó teniendo en cuenta la composición del cordón de soldadura.
Para la observación de la estructura se utilizó el microscopio metalográfico (Neophot 32), que se muestra en la Figura 2.8, perteneciente al Laboratorio de Metalografía del Centro de Investigaciones de Soldadura de la Universidad Central de las Villas.
Figura 2.9. Microdurómetro marca Shimadzu.
2.4 Ensayo de desgaste
El ensayo de desgaste utilizado en el presente trabajo en correspondencia a lo estudiado en el Capítulo 1, es el estandarizado por la norma ASTM G65, cuyos parámetros del ensayo se indican en la Tabla 2.6.
tiempo del ensayo debe ser alrededor de 10 minutos para cada procedimiento, dependiendo de la velocidad real de la rueda.
Como lo establece la norma, es importante seleccionar el procedimiento a seguir para tener en cuenta los parámetros indicados en la Tabla 2.5, en dependencia del nivel de resistencia al desgaste abrasivo estimado para el metal a evaluar.
En nuestro trabajo, se ha considerado el procedimiento B, teniendo en cuenta que el metal aportado por los consumibles a evaluar, no forman parte de los sistemas aleantes destinados a la abrasión extrema.
En la Figura 2.10, se muestra la máquina utilizada en los ensayos de desgaste abrasivo, fabricada en dependencia de los requerimientos que establece la norma ASTM G65.
Figura 2.10. Máquina usada en el ensayo.
Antes de realizar los ensayos, se verificó el número de rpm a que gira la rueda de caucho, para esto se utilizó un tacómetro digital láser marca SHIMPO DT-205L (Figuras 2.11 y 2.12). Se pudo constatar que la rueda gira a 280 rpm como estaba previsto.
Figura 2.11. Tacómetro láser digital marca SHIMPO DT-205L.
Figura 2.12. Medición de la velocidad en el eje de la rueda de caucho con el tacómetro láser.
Para el ensayo se utilizó arena de sílice, con un tamaño de partícula obtenida a partir de un tamiz número 40 (425 µm) según establece la norma.
Por último se constató la fuerza que se aplica entre la probeta y la rueda de caucho producto del brazo y las pesas colocadas en el mismo. Para esto se utilizó un dinamómetro alemán fabricado por la empresa KRAFTMESSGERATE HALLE (Figura 2.11).
Con el instrumento en la posición que indica la Figura 2.14, se colocaron las pesas en el brazo para garantizar una fuerza sobre la probeta de 130 Newton, como lo establece la norma G65 para el procedimiento B.
Figura 2.13. Dinamómetro utilizado. Figura 2.14. Medición de la fuerza utilizando el dinamómetro. Los depósitos de relleno multicapa se realizaron sobre placas de acero AISI 1020 según las indicaciones de la norma ASTM G65 y sus dimensiones son: 7,62 x 2,54 x 1,27 cm (3 x 1 x 0,5 pulgadas), Figura 2.15.
Figura 2.15. Forma de las probetas utilizadas en el ensayo.
Los depósitos se rectificaron y se marcaron para el control de los ensayos. Posteriormente se pesaron utilizando una balanza digital marca SCALTEC que tiene una precisión de 0,0001 g como establece la norma G65 para el procedimiento B de este ensayo de abrasión (Figura 2.16).