Análisis de Desgaste Abrasivo en Acero AISI SAE H13

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(1)ANALISIS DE DESGASTE ABRASIVO EN ACERO AISI SAE H13. JOSE HARBEY ALMONACID DIAZ. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA TECNOLOGÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C. 2017. 1.

(2) ANALISIS DE DESGASTE ABRASIVO EN ACERO AISI SAE H13. JOSE HARBEY ALMONACID DIAZ. Trabajo de grado para optar por el título de Tecnólogo Mecánico. Asesor Ing. Jonny Ricardo Dueñas Rojas.. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA TECNOLOGÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C. 2017. 2.

(3) TABLA DE CONTENIDO 1. RESUMEN ...................................................................................................... 11 2. INTRODUCCIÓN ............................................................................................ 12 3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................. 13 4. JUSTIFICACIÓN ............................................................................................. 13 5. OBJETIVOS.................................................................................................... 14 5.1.. OBJETIVO GENERAL ............................................................................. 14. 5.2.. OBJETIVOS ESPECÍFICOS .................................................................... 14. 6. ESTADO DEL ARTE....................................................................................... 14 6.1. ESTUDIO EXPERIMENTAL DEL DESGASTE ABRASIVO EN ACERO AISI-SAE H-13 CON Y SIN TRATAMIENTO SUPERFICIAL [1]. ....................... 14 6.2. COMPORTAMIENTO TRIBOLÓGICO DEL ACERO H13 TRATADO SUPERFICIALMENTE [2]. ................................................................................. 15 6.3. COMPORTAMIENTO TRIBOLÓGICO DEL ACERO AISI H13 MECANIZADO POR ELECTROEROSIÓN (EDM) [3]. ...................................... 15 6.4. DEPOSICIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN SISTEMA DE RECUBRIMIENTO DUPLEX APLICADO SOBRE ACERO PARA TRABAJO EN CALIENTE AISI H13 [4]. .................................................................................... 15 6.5. ESTUDIO DE FRICCIÓN Y DESGASTE DE UN ACERO AISI H13 RECUBIERTO CON TICN [5]. ........................................................................... 16 7. MARCO TEÓRICO ......................................................................................... 17 7.1.. TRIBOLOGÍA ........................................................................................... 17. 7.1.1.. Definición [6] ...................................................................................... 17. 7.1.2.. Fricción [6] ......................................................................................... 17. 7.1.3.. Desgaste [6]....................................................................................... 19. 7.1.4.. Lubricación [6] ................................................................................... 22 3.

(4) 7.1.5. 7.2.. DESGASTE ABRASIVO .......................................................................... 24. 7.2.1. 7.3.. Aplicaciones....................................................................................... 23. Clasificación del desgaste abrasivo ................................................... 26. NORMA ASTM G65 ................................................................................. 26. 7.3.1.. Alcance .............................................................................................. 26. 7.3.2.. Resumen ........................................................................................... 27. 7.3.3.. Descripción de la máquina ................................................................ 27. 7.3.4.. Parámetros de prueba ....................................................................... 28. 7.4.. ACERO AISI H13 ..................................................................................... 29. 7.4.1.. Características [11] ............................................................................ 29. 7.4.2.. Composición química ........................................................................ 29. 7.4.3.. Aplicaciones [13]................................................................................ 29. 8. MATERIALES Y METODOS ........................................................................... 30 8.1.. MATERIALES .......................................................................................... 30. 8.1.1.. Material principal de estudio .............................................................. 30. 8.1.2.. Arena para el desgaste ...................................................................... 31. 8.2.. ENSAYO DE MICRODUREZA Y DUREZA .............................................. 32. 8.3.. ENSAYO METALOGRÁFICO .................................................................. 34. 8.4.. ENSAYO DE DESGASTE ABRASIVO..................................................... 35. 8.5.. MICROSCOPIA ELECTRÓNICA DE BARRIDO (SEM) ........................... 36. 9. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ....................................................................... 36 9.1.. RESULTADOS DE MICRODUREZA ....................................................... 36. 9.2.. RESULTADOS DE DUREZA ................................................................... 37. 9.3.. RESULTADOS DE MICROESTRUCTURA .............................................. 39 4.

(5) 9.4.. RESULTADOS DE DESGASTE ABRASIVO ........................................... 44. 10.. CONCLUSIONES ........................................................................................ 47. 11.. BIBLIOGRAFIA............................................................................................ 48. 12.. ANEXOS ..................................................................................................... 50. 5.

(6) ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Superficie de contacto pequeña [6]. ....................................................... 18 Figura 2. Superficie de contacto grande [6]. .......................................................... 18 Figura 3. Desgaste adhesivo entre dos piezas en movimiento [6]. ....................... 19 Figura 4. Desgaste abrasivo debido a la presencia de partículas duras [6]. ......... 20 Figura 5. Desgaste por fatiga superficial [6]. ......................................................... 21 Figura 6. Desgaste erosivo debido a la acción de un fluido con partículas abrasivas en suspensión [6]. ................................................................................................. 21 Figura 7. Desgaste abrasivo a) abrasión de dos cuerpos, b) abrasión de tres cuerpos [7]............................................................................................................. 24 Figura 8. Representación esquemática para el caso del desgaste abrasivo por microcorte y por deformación plástica [8]. ............................................................. 25 Figura 9. Mecanismos de desgaste abrasivo [9]. .................................................. 25 Figura 10. Diagrama esquemático de la máquina de prueba [10]. ........................ 28 Figura 11. Mecanismos de desgaste abrasivo [10]. .............................................. 29 Figura 12. Probetas de acero AISI H13 para desgaste abrasivo [fuente propia]. .. 30 Figura 13. Fotografía microscópica a muestra de arena Ottawa [16]. ................... 31 Figura 14. Acero AISI H13 encapsulado para pruebas de dureza y microdureza [fuente propia]. ...................................................................................................... 32 Figura 15. Microdurometro marca Shimadzu HMV-2 [fuente propia]. ................... 33 Figura 16. Durómetro marca Gnehm Swiss Rock [fuente propia]. ........................ 33 Figura 17. Microscopio marca Axio Observer D1M [fuente propia]. ...................... 34 Figura 18. Lecturas de las rpm del motor [fuente propia]. ..................................... 35 Figura 19. Foto de la huella de microdureza [fuente propia]. ................................ 37 Figura 20. Muestras de acero AISI H13 después de las pruebas de dureza [fuente propia]. .................................................................................................................. 38 6.

(7) Figura 21. Micrografías acero AISI H13 a 100x y 1000x tomadas en el microscopio Axio Observer D1M [fuente propia]. .................................................. 40 Figura 22. Micrografías acero AISI H13 a 1000x y 5000x tomadas en el microscopio Fei Quanta 200-r [fuente propia]. ...................................................... 41 Figura 23. EDX realizado los carburos grandes de la microestructura [fuente propia]. .................................................................................................................. 42 Figura 24. EDX realizado en matriz de la microestructura [fuente propia]. ........... 42 Figura 25. EDX realizado en esferoidita de la microestructura [fuente propia]. ..... 43 Figura 26. Desgaste abrasivo acero AISI H13 a 200x. .......................................... 44 Figura 27. Desgaste abrasivo acero AISI H13 a 1000x. ........................................ 44 Figura 28. Desgaste abrasivo acero AISI H13 a 5000x. ........................................ 45. 7.

(8) ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Composición química del Acero AISI H13 ............................................... 29 Tabla 2. Medidas de las probetas para el estudio [fuente propia]. ........................ 30 Tabla 3. Microdurezas en escala Vickers [fuente propia]. ..................................... 37 Tabla 4. Valores de dureza del acero AISI H13 [fuente propia]............................. 38 Tabla 5. Resultados prueba de desgaste abrasivo. .............................................. 46. 8.

(9) INDICE DE ANEXOS Anexo 1. Página 1 de la norma ASTM G65........................................................... 51 Anexo 2. Página 2 de la norma ASTM G65........................................................... 52 Anexo 3. Página 3 de la norma ASTM G65........................................................... 53 Anexo 4. Página 4 de la norma ASTM G65........................................................... 54 Anexo 5. Página 5 de la norma ASTM G65........................................................... 55 Anexo 6. Página 6 de la norma ASTM G65........................................................... 56 Anexo 7. Página 7 de la norma ASTM G65........................................................... 57 Anexo 8. Página 8 de la norma ASTM G65........................................................... 58 Anexo 9. Página 9 de la norma ASTM G65........................................................... 59 Anexo 10. Página 10 de la norma ASTM G65....................................................... 60 Anexo 11. Página 11 de la norma ASTM G65....................................................... 61 Anexo 12. Página 12 de la norma ASTM G65....................................................... 62 Anexo 13. Composición química del acero AISI H13 brindada por la compañía AXXECOL. ............................................................................................................ 64 Anexo 14. Generalidades del acero AISI H13. ...................................................... 64 Anexo 15. Factura de la compra del acero AISI H13. ........................................... 65 Anexo 16. Empaque de la arena de Ottawa. ......................................................... 67 Anexo 17. Arena de Ottawa. ................................................................................. 67 Anexo 18. Máquina de desgaste abrasivo. ........................................................... 69 Anexo 19. Flujo laminar de la arena de Ottawa..................................................... 69 Anexo 20. Rueda de la máquina de ensayo para desgate abrasivo. .................... 69 Anexo 21. Pesaje de la probeta 1a antes y después del ensayo de desgaste. ..... 71 Anexo 22. Pesaje de la probeta 1b antes y después del ensayo de desgaste. ..... 71 Anexo 23. Pesaje de la probeta 2a antes y después del ensayo de desgaste. ..... 72 9.

(10) Anexo 24. Pesaje de la probeta 2b antes y después del ensayo de desgaste. ..... 72 Anexo 25. Pesaje de la probeta 3a antes y después del ensayo de desgaste. ..... 73 Anexo 26. Pesaje de la probeta 3b antes y después del ensayo de desgaste. ..... 73. 10.

(11) 1. RESUMEN Actualmente no existen estudios directos y que indiquen de manera concisa los valores que tienen algunos aceros frente al fenómeno de abrasión o desgaste abrasivo. En el presente trabajo se busca obtener datos de referencia de la resistencia al desgate abrasivo que tiene el acero herramienta para trabajo en caliente, ACERO AISI H13. Para esto se siguió el procedimiento B establecido por la norma ASTM G65 la cual es la que rige todo lo relacionado a la realización de este tipo de desgaste. Se tomaron tres muestras del material con las medidas establecidas dentro de la norma, realizando los ensayos con duración de un poco más de 12 minutos cada uno. También se realizó preparación metalográfica de esta material para analizar su microestructura (ASTM E3), microdureza (ASTM E384) y dureza (ASTM E18). Como resultado, se encontró en el análisis microestructural del material, una serie de carburos en forma esferoidales incrustados en una matriz ferrítica, microestructura propia de un material ferrítico recocido a una temperatura inferior a la eutectoide, dando un material con una dureza que este caso fue de 87 HRB. En cuanto al desgaste abrasivo los resultados indicaron un valor de perdida volumétrica promedio de 72.86 mm3, también se obtuvieron imágenes por medio de microscopia electrónica de barrido, en las que se evidencia un desgaste uniforme sin mayores daños al material, se confirma una de las principales ventajas del acero AISI H13 y es su elevada resistencia a la abrasión.. 11.

(12) 2. INTRODUCCIÓN El desgaste es un fenómeno bastante común y a su vez complejo de analizar, el cual se presenta frecuentemente en la industria, en especial en el área mecánica, ya que ocurre al existir contacto y movimiento relativo entre dos o más elementos. El desgaste abrasivo ya sea a dos o tres cuerpos es el responsable de la duración o vida útil y del comportamiento de algunas piezas en maquinaria y mecanismos, por lo tanto su estudio es muy importante y útil si se quiere saber la resistencia al desgaste de los materiales involucrados y así evitar posibles daños o alargar la vida útil de los equipos y la producción en la industria. En este caso se hará un estudio enfocado en el desgaste abrasivo a tres cuerpos, el cual consiste en tener dos piezas en contacto y entre estas una cantidad de partículas abrasivas con determinada dureza las cuales ocasionan las microrralladuras y consecuentemente el desgaste de las piezas. En los ensayos de desgaste abrasivo lo que se busca es poner el material en ciertas condiciones simuladas en las que podría estar sometido si estuviera en trabajo real, para conocer así su comportamiento frente a este fenómeno y posteriormente utilizar el material adecuado para diversas aplicaciones. A su vez, con estos ensayos se aprecian los factores que intervienen durante el proceso como lo son la fuerza entre superficies, tiempo de exposición, movimiento relativo, tipo de material abrasivo, tamaño y dureza de las partículas abrasivas, entre otros. El acero AISI H13 es un material utilizado principalmente para la elaboración de herramientas de trabajo en caliente, esto por su buena resistencia al desgaste y excelentes propiedades mecánicas, por lo que se estudiara no solo su comportamiento frente al desgaste abrasivo de forma experimental, sino también su microestructura y así comparar sus valores experimentales con los teóricos.. 12.

(13) 3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA En el mundo de los aceros herramienta para trabajo en caliente, el acero AISI H13 es uno de los más comunes en la implementación para estas condiciones, aunque su estudio es muy limitado en diversos factores y a pesar que se ha analizado su comportamiento frente a diversos tipos de desgastes, no se ha analizado como tal el desgaste abrasivo en el material base sin ningún tipo de tratamiento térmico o superficial. Por nombrar ejemplos tenemos estudios de desgastes erosivos, de fricción, de fatiga isotérmica, la influencia de la rugosidad del material en sus propiedades, ensayos de fretting, análisis en estructuras, componentes de maquinarias herramientas elaboradas con este acero, entre otros. Todos los estudios realizados sobre aceros H13 recubiertos por carbonitruro de titanio, con recubrimiento dúplex, nitrurados, o con tratamientos térmicos y químicos. De aquí es donde se ve la oportunidad de entrar en el estudio tribológico específicamente el desgaste abrasivo en este material base sin ningún tipo de modificación en su estructura, esto con el fin de poder realizar un tratamiento apropiado para obtener el comportamiento deseado del acero H13 frente a este tipo de desgaste. 4. JUSTIFICACIÓN Con este proyecto de grado se pretende conocer el comportamiento en cuanto a desgaste abrasivo del material para herramientas de trabajo en caliente acero AISI H13. Lo anterior se hace con el fin de verificar los valores de resistencia al desgaste de este material, ya que no se encuentran muchos estudios encaminados al análisis de este fenómeno en dicho acero. Con estos ensayos y resultados obtenidos se pretende dar a conocer unas bases e información que no son muy comunes ni fáciles de obtener, para posteriormente tener el acero en cuenta o por el contrario descartarlo en el momento de hacer una selección de material para un fin específico. Lo anterior se realizara por medios de varios ensayos de desgaste abrasivo a tres cuerpos realizados en diversas probetas del material AISI H13, en las cuales una vez culminados estos ensayos, se tomaran muestras metalográficas y de microscopia de barrido electrónico para evidenciar su estructura y microestructura después de las pruebas.. 13.

(14) 5. OBJETIVOS 5.1.. OBJETIVO GENERAL. Analizar el comportamiento del acero AISI H13 sometido a desgaste abrasivo según los parámetros establecidos por la norma ASTM G65. 5.2.. OBJETIVOS ESPECÍFICOS. •. Analizar microestructuralmente el acero para herramientas AISI H13 por medio de pruebas metalográficas según la norma ASTM E3.. •. Determinar la dureza y microdureza del material evaluado por medio de los ensayos según las normas ASTM E18 y ASTM E384 respectivamente.. •. Identificar por medio de microscopia electrónica de barrido (SEM) los microconstituyentes presentes en el material.. •. Determinar la resistencia al desgaste abrasivo a tres cuerpos del acero para herramientas AISI H13 según la norma ASTM G65.. 6. ESTADO DEL ARTE Se presentan a continuación algunos casos de estudio sobre el tema a tratar, para conocer así los antecedentes investigativos relacionados con pruebas de desgaste abrasivo en acero AISI-SAE H-13.. 6.1.. ESTUDIO EXPERIMENTAL DEL DESGASTE ABRASIVO EN ACERO AISI-SAE H-13 CON Y SIN TRATAMIENTO SUPERFICIAL [1].. En este estudio se detalla el desarrollo experimental realizado para las pruebas de desgaste abrasivo, en el cual se estudia este fenómeno en condición seca y húmeda. Estas pruebas se realizaron sobre el acero AISI H-13 base y con tratamiento superficial (nitrurado por plasma). En el análisis de resultados se obtuvo que el acero AISI H-13, tiene un comportamiento favorable frente al desgaste abrasivo aun sin tener tratamiento superficial, aunque este último presenta menos desgaste que el acero base. Por otro lado se evidencio en las micrografías que la abrasión en condiciones secas genera surcos y huellas de desgaste que son más pronunciados, mientras que en condición húmeda los daños no son tan marcados.. 14.

(15) 6.2.. COMPORTAMIENTO TRIBOLÓGICO DEL ACERO H13 TRATADO SUPERFICIALMENTE [2].. En este trabajo se toma el acero H13 y por medio de plasma se deposita unas capas delgadas de CrN/AlN, sobre las cuales se va a estudiar el comportamiento tribológico en términos de fricción y desgaste. El análisis microestructural se llevó a cabo utilizando microscopía electrónica de barrido así como microanálisis con energía dispersa y difracción de rayos X. El equipo utilizado para estudiar este comportamiento fue de tipo pin on disk en seco. Los resultados evidencian una mejora en las propiedades tribológicas de las capas depositadas en comparación con el acero H13 sin deposición superficial.. 6.3.. COMPORTAMIENTO TRIBOLÓGICO DEL ACERO AISI H13 MECANIZADO POR ELECTROEROSIÓN (EDM) [3].. El objetivo fundamental de este trabajo es estudiar el comportamiento de un acero para herramientas y de trabajo en caliente (Acero AISI H13) sometido a desgaste electroerosivo o mecanizado por electrodescarga. Esta técnica es poco convencional pero es común aplicarlas a aceros con elevada dureza. Aunque es una técnica de mecanizado, esta podría ocasionar en el material algunas afecciones en cuanto a su comportamiento tribológico. El proceso consistió en comparar tres muestras de procesado distintas: a) acero mecanizado mediante EDM con electrodos convencionales de Grafito y Cobre; b) Aceros mecanizados mediante EDM con electrodos pulvimetalúrgicos parcialmente sinterizados de WC/Co; c) Aceros mecanizados mediante EDM con electrodos convencionales y recubiertos posteriormente con TiN mediante deposición física en fase vapor (PVD). El estudio fue realizado con una maquina pin on disk y el análisis fue realizado mediante microscopía óptica y electrónica (SEM), difracción de RX, medidas de rugosidad y microdureza. Por último, como resultado se obtuvo que el mejor resultado fue el de las muestras electroerosionadas con electrodos pulvimetalúrgicos parcialmente sinterizados de WC/Co. 6.4.. DEPOSICIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN SISTEMA DE RECUBRIMIENTO DUPLEX APLICADO SOBRE ACERO PARA TRABAJO EN CALIENTE AISI H13 [4].. En el presente trabajo se buscó mejorar la resistencia al desgaste del acero H13 mediante la implementación de los siguientes tratamientos superficiales: • • •. Revenido (austenizacion + temple + revenido) Revenido y nitruración liquida Revenido y recubrimiento de nitruro de cromo (CrN) 15.

(16) •. Recubrimiento Dúplex (revenido + nitruración liquida + recubrimiento de CrN). Todas las muestras del material fueron tratadas por austenitizacion a una temperatura de 1050 ºC durante dos horas, enfriadas en aceite y luego templadas doblemente a 540 y 560 ºC durante una hora respectivamente, obteniendo na dureza de 52 ± 2 HRC. Un conjunto de estas muestras se nitruro por medio de baño Tenifer a 560 ºC durante tres horas obteniendo una capa nitrurada de alrededor de 140 μm. Algunas muestras templadas y nitruradas se recubrieron con CrN teniendo un espesor de 5 μm, haciendo esto también con otras muestras sin nitruración. Después de los tratamientos se procedió a realizar el desgaste por medio de muestras de bola sobre disco. En los resultados obtenidos se evidencio que el recubrimiento Dúplex es una excelente opción si se desea que el material H13 sea bastante resistente al desgaste, ya que comparado con los demás tratamientos superficiales fue el que mostro menor perdida volumétrica del material. 6.5.. ESTUDIO DE FRICCIÓN Y DESGASTE DE UN ACERO AISI H13 RECUBIERTO CON TICN [5].. El objetivo principal fue investigar la influencia de lubricante en el comportamiento tribológico del acero H13, elaborando ensayos de fricción en condiciones secas y húmedas. Las probetas del acero fueron recubiertas con carbonitruro de titanio (TiCN), llevándolas posteriormente a los ensayos de fricción en un tribómetro de método de bola en disco en condiciones seca y en condiciones lubricadas, donde el lubricante en este caso fue de aceite base-grafito. Al analizar los coeficientes de fricción en el ensayo, se observó que en condición seca este coeficiente es bastante alto a comprarlo en condición lubricada. También se evidenció en las micrografías que en condición seca se aprecia un desgaste abrasivo manifestado en forma de surcos en dirección del deslizamiento. También se observan pequeñas zonas donde ocurrió un descascaramiento. Por otro lado en condición lubricada no se evidencia ningún mecanismo de desgaste.. 16.

(17) 7. MARCO TEÓRICO 7.1.. TRIBOLOGÍA. 7.1.1. Definición [6] La tribología es la ciencia que estudia el rozamiento de dos o más superficies que se encuentran en contacto y a su vez en movimiento relativo, incluyendo también todos los fenómenos que se relacionan con este. La importancia de este estudio conlleva a la mejora de muchos problemas existentes debido a al bajo interés y muchas veces ignorancia que se tiene sobre el tema. Problemas en los ámbitos de confiabilidad, mantenimiento, reparaciones, entre otros aspectos son los que se podría evitar si se tiene presente la aplicación de la tribología y por consiguiente generar un beneficio económico. En la tribología intervienen tres fenómenos los cuales están muy interrelacionados entre sí, los cuales son la fricción, el desgaste y la lubricación. La fricción que aparece cuando se tienen dos o más cuerpos en movimiento y por supuesto contacto entre ellos, el desgaste el cual aparece o es un efecto de la fricción y la lubricación como el medio de evitar el desgaste. 7.1.2. Fricción [6] La fricción es la fuerza que se opone al movimiento de una superficie sobre otra y a su vez esta se deriva en fuerza de fricción cinética y fuerza de fricción estática. La primera es aquella donde existe un movimiento continuo, mientras que la segunda es aquella que se opone al inicio del movimiento, es decir, cuando el cuerpo se encuentra en reposo. Cuando dos cuerpos están en reposo, estos tienden a crea enlaces entre sí o microsoldaduras dados en las superficies de contacto, por lo cual se supone que la fuerza de fricción estática es mayor que la dinámica. Todas las superficies, hasta la más pulida presentan rugosidades a escala microscópica. Las rugosidades se ven a escala microscópica como picos y valles. Al estar en contacto las dos piezas, la superficie real de contacto es la existente entre los picos de ambas, por lo tanto al aumentar la presión de una sobre otra estos picos tienden a deformarse o aplastarse aumentando así la superficie de contacto.. 17.

(18) Figura 1. Superficie de contacto pequeña [6]. Las microsoldaduras que aparecen, deben romperse para permitir el deslizamiento de las dos superficies. Estas microsoldaduras son las que se dan por la incrustación de los picos de una superficie en los valles de otra originando la fricción estática. Cuando se tiene una superficie de contacto pequeña, aparecen grandes deformaciones en los picos mostrados microscópicamente, mientras que en superficies de contacto grandes, estos picos son más pequeños, debido a que la presión disminuye como se puede observar en las figuras 1 y 2.. Figura 2. Superficie de contacto grande [6]. Las leyes de rozamiento para cuerpos solidos son: [6] 18.

(19) •. La fuerza de rozamiento es de igual dirección y sentido contrario al movimiento del cuerpo.. •. La fuerza de rozamiento es prácticamente independiente del área de la superficie de contacto.. •. La fuerza de rozamiento depende de la naturaleza de los cuerpos en contacto, así como del estado en que se encuentren sus superficies.. •. La fuerza de rozamiento es directamente proporcional a la fuerza normal que actúa entre las superficies de contacto.. •. Para un mismo par de cuerpos, el rozamiento es mayor en el momento de arranque que cuando se inicia el movimiento.. •. La fuerza de rozamiento es prácticamente independiente de la velocidad con que se desplaza un cuerpo sobre otro.. 7.1.3. Desgaste [6] El desgaste puede definirse como la pérdida de material de dos o más cuerpos cuando estos se encuentran en contacto y movimiento relativo bajo la acción de una fuerza. A continuación se mostrara los principales tipos de desgaste: •. Desgaste adhesivo: ocurre cuando dos superficies se deslizan una contra otra bajo presión.. Figura 3. Desgaste adhesivo entre dos piezas en movimiento [6].. 19.

(20) En los puntos de contacto de las superficies involucradas, ocurre un desprendimiento de material en el momento en que comienza el deslizamiento, pues este rompe la unión o la microsoldadura existente en el momento (figura 3). •. Desgaste abrasivo: es la remoción del material debido a partículas o superficies duras presentes en medio de dos piezas que se encuentren en movimiento relativo y que sus superficies se encuentren en contacto (figura 4). Este tipo de desgaste puede ocurrir en estado seco o en estado húmedo.. Figura 4. Desgaste abrasivo debido a la presencia de partículas duras [6]. •. Desgaste por fatiga superficial: es la falla de contactos lubricados tales como rodamientos, engranes, levas, entre otros. La pérdida de material es por desprendimiento de superficiales y por picaduras, como en los engranes. Se piensa que las grietas por fatiga aparecen debajo de la superficie en un punto en que el esfuerzo cortante es máximo (figura 5).. 20.

(21) Figura 5. Desgaste por fatiga superficial [6]. •. Desgaste erosivo: en este desgaste la pérdida de material es ocasionada por un líquido que contiene partículas abrasivas y el cual se encuentra en movimiento relativo con el material (figura 6). Existen dos tipos de desgaste erosivo: erosión abrasiva, que se caracteriza por que el movimiento relativo de las partículas es paralelo con las superficies, y erosión bajo impacto, en la cual el movimiento de las partícula es perpendicular a la superficie.. •. Desgaste corrosivo: en esta forma de desgaste la pérdida del material ocurre cuando se remueve la superficie la cual ha reaccionado químicamente con el medio ambiente.. Figura 6. Desgaste erosivo debido a la acción de un fluido con partículas abrasivas en suspensión [6]. 21.

(22) 7.1.4. Lubricación [6] El objetivo de la lubricación es reducir el rozamiento y por consiguiente de las superficies en contacto de piezas con movimiento relativo. Los principales campos de aplicación son: •. Cojinetes del cigüeñal y bielas de un motor (vida de miles de km).. •. Cojinetes de turbinas de centrales (fiabilidad de 100%).. Los factores a considerar en diseño son técnicos y económicos: •. Cargas aplicadas y condiciones de servicio.. •. Condiciones de instalación y posibilidad de mantenimiento.. •. Tolerancias de fabricación y funcionamiento; vida exigida.. •. Costo de instalación y mantenimiento.. El estudio de la lubricación está basado en la: •. Mecánica de fluidos.. •. Termodinámica y transmisión de calor.. •. Mecánica de sólidos, materiales.. Pueden distinguirse tres tipos de lubricación distintas: •. Lubricación hidrodinámica: es donde las superficies se encuentran separadas por una película de lubricante, la cual evita el contacto físico entre las piezas involucradas en el movimiento relativo.. •. Lubricación límite: aquí la película de lubricante es mucho más fina, tanto que llega a existir contacto parcial entre los materiales.. •. Lubricación hidrostática: en este tipo de lubricación se introduce a presión el lubricante en la zona de carga, es decir en la zona donde va a existir el contacto metal-metal, con el fin de crear una película de lubricante entre las piezas las cuales pueden estar en movimiento o estáticas.. 22.

(23) 7.1.5. Aplicaciones La Tribología está presente en prácticamente todos los aspectos de la maquinaría, motores y componentes de la industria en general. Los componentes tribológicos más comunes son: •. Rodamientos. •. Frenos y embragues. •. Sellos. •. Anillos de pistones. •. Engranes y Levas. Las aplicaciones más comunes de los conocimientos tribológicos son: •. Motores eléctricos y de combustión (componentes y funcionamiento). •. Turbinas. •. Extrusión. •. Rolado. •. Fundición. •. Forja. •. Procesos de corte (herramientas y fluidos). •. Elementos de almacenamiento magnético. •. Prótesis articulares (cuerpo humano). La aplicación de los conocimientos de la Tribología en estas prácticas deriva en: •. Ahorro de materias primas. •. Aumento en la vida útil de las herramientas y la maquinaría. •. Ahorro de recursos naturales. •. Ahorro de energía 23.

(24) •. Protección al medio ambiente. •. Ahorro económico. 7.2.. DESGASTE ABRASIVO. La Norma ASTM G40-92 define el desgaste abrasivo como la pérdida de masa resultante de la interacción entre partículas o asperezas duras que son forzadas contra una superficie y se mueven a lo largo de ella. Existen dos tipos de desgaste abrasivo: desgaste abrasivo de dos cuerpos y desgaste abrasivo de tres cuerpos (figura 7). El desgaste abrasivo de dos cuerpos es aquel causado por asperezas o rugosidades de una de las superficies en contacto, mientras que el desgaste abrasivo de tres cuerpos es provocado por partículas duras que se encuentran sueltas en medio de los dos cuerpos que se encuentran en movimiento relativo. Por ejemplos de desgaste abrasivo a dos cuerpos tenemos el pulido de una muestra mediante el uso de lijas, o un taladro perforando un material. Se puede mencionar también como ejemplo de desgaste abrasivo a tres cuerpos el sufrido por las mandíbulas de una trituradora al quebrar roca, o la existencia de partículas contaminantes en un aceite lubricante de superficies en contacto deslizante.. a). b). Figura 7. Desgaste abrasivo a) abrasión de dos cuerpos, b) abrasión de tres cuerpos [7]. El desgaste abrasivo depende de la cantidad de partículas abrasivas presentes en la zona de fricción, y se manifiesta por la destrucción de la superficie en forma de deformación plástica, microrrayaduras y microcortes. 24.

(25) La separación de partículas se da cuando las irregularidades del material más duro se incrustan en el más blando debido al movimiento existente entre estos, también al ocasionar surcos en el material blando, este tiende a desprender material en forma de partículas el cual va a ocasionar también desgaste abrasivo. Dependiendo de la dureza de las partículas abrasivas (Hm), aparecerán dos diferentes casos de desgaste abrasivo, deformación plástica y microcorte (figura 8).. Figura 8. Representación esquemática para el caso del desgaste abrasivo por microcorte y por deformación plástica [8]. En la siguiente figura, se observa como en la pérdida de material pueden intervenir cuatro mecanismos de desgaste:. Figura 9. Mecanismos de desgaste abrasivo [9]. El primer mecanismo (figura 9a), representa el microcorte clásico, donde una punta aguda o una aspereza de alta dureza corta a otra superficie de menor dureza y el material de la superficie desgastada es sacado mediante partículas.. 25.

(26) En el segundo mecanismo (figura 9b), cuando el material desgastado es frágil, puede aparecer la fractura en la superficie de contacto; por consiguiente las partículas desgastadas son el resultado de la unión de distintas micro grietas. Cuando un material dúctil es desgastado, no aparece microcorte, pero la superficie desgastada es deformada repetidamente, en este caso las partículas son el resultado del desgaste por fatiga. Tercer mecanismo (figura 9c). El ultimo mecanismo (figura 9d) representa el desgaste por desconche, presentado principalmente en cerámicas. 7.2.1. Clasificación del desgaste abrasivo •. Desgaste abrasivo de baja presión: es aquel en el que las partículas se mueven libremente por la superficie y las tensiones que actúan en esta son bajas.. •. Desgaste abrasivo de alta presión: ocurre cuando las partículas abrasivas son atrapadas entre dos superficies las cuales están actuando con carga y el desgaste ocurre por penetración, por fractura de las partes móviles y por deformación plástica de la matriz.. •. Desgaste abrasivo con impacto: involucra la remoción de material por la acción de un abrasivo cuyas partículas son de un tamaño apreciable e impacta a la superficie bajo un ángulo determinado. En este, el abrasivo produce grandes surcos y ralladuras que se ven a simple vista.. 7.3.. NORMA ASTM G65. Esta norma abarca todo lo relacionado a la realización de la práctica de desgaste abrasivo a tres cuerpos (material de estudio, arena y rueda de goma). Para consulta se encuentra la norma en el anexo A, a continuación se resumen los aspectos principales: 7.3.1. Alcance Cubre los procedimientos para determinar la resistencia del material frente a desgaste abrasivo los cuales nos arrojaran unos datos frente a este fenómeno los cuales se reproducirán y se tomaran bajo unas condiciones específicas. Los resultados de estas pruebas serán en milímetros cúbicos de material perdido, cuanto más resistente sea el material a la abrasión menos será su perdida volumétrica. 26.

(27) A continuación se mencionaran 4 procedimientos los cuales son recomendados para determinados grados de resistencia al desgaste o espesor del material de ensayo: Procedimiento A: Es una prueba relativamente severa la cual clasifica los materiales en una amplia escala de pérdida de volumen desde baja a extrema resistencia a la abrasión. Es comúnmente usada para materiales de media a alta resistencia a la abrasión. Procedimiento B: Esta puede ser usada para materiales con alta resistencia a la abrasión pero es más usada en materiales de media y baja resistencia abrasiva. Es usado cuando la pérdida de volumen desarrollada por el procedimiento A supera los 100 milímetros cúbicos. Procedimiento C: Particularmente usado en capas delgadas. Procedimiento D: Útil en materiales de baja resistencia a la abrasión. 7.3.2. Resumen Se trata de realizar la abrasión de una muestra de prueba. El abrasivo, en este caso arena, se introduce entre la muestra de ensayo y una rueda giratoria la cual tiene un revestimiento de caucho. La muestra de prueba se presiona contra la rueda que gira a unas revoluciones determinadas, mientras que el flujo de arena raya la superficie de contacto de la muestra. La rotación de la rueda debe ir en dirección del flujo de la arena. Las muestras se pesan antes y después de la prueba para determinar así la masa de material perdida la cual se debe convertir en perdida de volumen (milímetros cúbicos). 7.3.3. Descripción de la máquina De acuerdo a la norma ASTM G-65, el equipo utilizado para las pruebas de desgaste abrasivo consta principalmente de una tolva y una boquilla para el paso de la arena seca, una rueda de acero recubierta con caucho vulcanizado, una palanca para control de la carga, un porta-probeta, un motor, un contador de revoluciones y un sistema de control. Entre el disco y la probeta se mantiene un flujo laminar y constante de abrasivo (arena) a través de la boquilla que deja pasar las partículas. El abrasivo es presionado por medio de la palanca con una fuerza constante y definida. La dirección de rotación del disco tendrá el mismo sentido que el flujo de arena (figura 10).. 27.

(28) Figura 10. Diagrama esquemático de la máquina de prueba [10]. El desgaste abrasivo generado puede ser clasificado como arado y rodadura. En el primer caso de desgaste las partículas de arena se embeben en el caucho y aran la superficie ensayada; mientras que en la rodadura las partículas de arena simultáneamente ruedan y deslizan entre el caucho y la superficie ensayada, los bordes irregulares de la arena ejercen elevada presión sobre la muestra causando indentación, deformación plástica y desprendimiento de material. Estos dos fenómenos son principalmente gobernados por la velocidad, la fuerza de contacto entre la rueda y la muestra, así como la dureza relativa de estos dos. Con fuerza reducida y/o bajas durezas en la muestra se genera rodadura debido a que el caucho no se deforma lo suficiente como para embeber las partículas de arena, estas ruedan y se deslizan entre las dos superficies. 7.3.4. Parámetros de prueba En la figura 11 se muestra la fuerza aplicada contra la muestra de ensayo y el número de revoluciones de la rueda para los procedimientos A, B, C y D. El flujo de arena deberá ser de 250 a 400 g/min (0.55 a 0.88 lb/min). El tiempo de la prueba será de 30 min para los procedimientos A y D, de 10 min para el procedimiento B y de 30 s para el procedimiento C. En todos los casos el parámetro de control será el número de revoluciones de la rueda más no el tiempo de ensayo. El tiempo de descanso entre las pruebas debe ser el suficiente para que la temperatura de la goma vuelva a la ambiente, para el procedimiento B este tiempo entre pruebas será de 30 min. 28.

(29) Figura 11. Mecanismos de desgaste abrasivo [10][10]. 7.4.. ACERO AISI H13. 7.4.1. Características [11] Acero herramienta para trabajo en caliente. Alta resistencia a raspaduras por fatiga térmica, excelentes propiedades mecánicas, buena tenacidad, pulido y mecanizado, buena estabilidad dimensional durante el tratamiento térmico, poco sensible a choques térmicos cuando se enfría con agua, buena resistencia al desgaste. Las herramientas fabricadas con el acero H13 pueden ser usadas a temperaturas de hasta aprox. 540°C (1000°F) con exposiciones breves de hasta 595°C (1100°F). 7.4.2. Composición química El acero H13 maneja los siguientes rangos de composición química [12]: Tabla 1. Composición química del Acero AISI H13. 7.4.3. Aplicaciones [13] • • • • •. Dados de Extrusión para Aleaciones Ligeras Camisas (Liners) para Extrusión Herramientas para Fundición a Presión Punzones y Matrices para Prensar Cuchillas para Corte en Caliente 29.

(30) • • • • • • •. Moldes para Plástico Insertos para Dados Mandriles Pernos Eyectores Dados de Forja Rodillos de laminación. 8. MATERIALES Y METODOS 8.1.. MATERIALES. 8.1.1. Material principal de estudio Se realizó la compra de un acero herramienta para trabajo en caliente, en este caso el acero AISI H13, con el fin de analizar su comportamiento frente al desgaste abrasivo. Este material se obtuvo en tres piezas diferentes como se ve en la figura 12, con medidas permisibles dadas en la norma ASTM G65, con variación de la medida del espesor para poder tener un promedio de pérdida volumétrica del material con diferentes condiciones del acero: Tabla 2. Medidas de las probetas para el estudio [fuente propia]. PROBETA NO. 1 2 3. ESPESOR (mm) 14.2 17.2 18.2. LARGO (mm) 77.1 77.1 77.1. ANCHO (mm) 28 28 28. Figura 12. Probetas de acero AISI H13 para desgaste abrasivo [fuente propia]. 30.

(31) En la compra del material, la compañía AXXECOL S.A. entregó junto con la factura una copia con la composición del acero AISI H13 (ver ANEXO B), el cual es conocido y comercializado con el nombre de ORVAR SUPREME. La forma de entrega del material es de recocido blando hasta aproximadamente 180 HB. Este es un acero para trabajo en caliente aleado al cormo-molibdeno-vanadio de alto rendimiento con gran resistencia a las roturas y a la fatiga térmica. Cuenta con una buena tenacidad y ductilidad en todas direcciones [14]. Es un acero adecuado para moldes y troqueles (5% Cr) con buena templabilidad, dotado de gran estabilidad, buena pulibilidad y resistencia al desgaste. Está fabricado mediante una fundición y una técnica de refinado especial a fin de que aporten unas propiedades mecánicas con una máxima isotropía. El material se ajusta a la norma W. Nr. 1.2344 / AISI premium H13 / EN X40CrMoV5-1 [15]. 8.1.2. Arena para el desgaste En los recursos brindados por la Universidad Distrital se encontraba cierta cantidad de arena de Ottawa, la cual es bastante utilizada en este tipo de desgaste por sus características especiales. La arena de Ottawa es una arena natural ampliamente comercializada ya que cumple con la norma ASTM C778, distribuida por U.S. SILICA COMPANY de la planta de Ottawa Illinois, y fue la empleada en el presente trabajo (ver ANEXO C). El tamaño máximo de grano de esta arena va hasta los 0.93 mm y el tamaño medio es de 0.71 mm, las partículas son redondeadas y sub-redondeadas de color blanco, compuesta por mineral de cuarzo y con una dureza de 7 Mohs (dureza empleada en minerales y rocas) [16].. Figura 13. Fotografía microscópica a muestra de arena Ottawa [16]. 31.

(32) 8.2.. ENSAYO DE MICRODUREZA Y DUREZA. Se tomaron dos fracciones de una de las probetas destinada para el desgaste abrasivo y se procedió a encapsularlas (figura 14) para realizarles posteriormente la preparación metalográfica respectiva y así tomar imágenes microscópicas para poder observar su microestructura (que se analizara en el siguiente ítem) y la microdureza, ya que la dureza no depende de la preparación de las piezas.. Figura 14. Acero AISI H13 encapsulado para pruebas de dureza y microdureza [fuente propia]. Se realizaron cinco ensayos de microdureza en cada muestra con el microdurómetro SHIMADZU HMV-2 (figura 15), el cual se encuentra en el laboratorio de metalografía de la Universidad Distrital Facultad Tecnológica. Este microdurómetro toma la microdureza en escala Vickers, haciendo la conversión automáticamente a escalas Rockwell. La carga aplicada en esta prueba fue de 0.981 N.. 32.

(33) Figura 15. Microdurometro marca Shimadzu HMV-2 [fuente propia]. Igualmente se efectuaron cinco pruebas de dureza al material con el durómetro GNEHM SWISS ROCK (figura 16), ubicado también en las instalaciones de la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital.. Figura 16. Durómetro marca Gnehm Swiss Rock [fuente propia].. 33.

(34) 8.3.. ENSAYO METALOGRÁFICO. Una vez encapsuladas las muestras del material, se procedió realizar la preparación metalográfica, la cual consistió en lijar las muestras con papel lija 600, 800, 1000, 1500 y 2000, con esta última se obtuvo un acabado superficial lo suficientemente bueno para proseguir con el proceso de pulido. Este se realizó en la pulidora metalográfica METKON FORCIPOL 2V, ubicada en el laboratorio de Tratamientos Térmicos y Preparación de Probetas de la Universidad Distrital Facultad Tecnológica, la cual tiene dos unidades giratorias en donde se coloca un paño para pulir con agua y/o con una preparación de agua con alúmina que facilita no solo el borrado de las ralladuras dejadas por el papel lija 2000, sino también la obtención del brillo espejo de las muestras. Luego de tener las muestras con brillo espejo, se realizó el ataque químico para revelar la microestructura del material y poderla visualizar en el microscopio óptico, el ataque se realizó con Nital al 2% durante 10 segundos la primera muestra y 5 segundos las segunda, ya que no se contaba con el dato exacto del tiempo de ataque. El microscopio utilizado para visualizar las imágenes microestructurales del acero fue el AXIO OBSERVER D1M (figura 17), de la Universidad Distrital. Los aumentos determinados para ver las imágenes fueron a 100x, 200x, 500x y 1000x.. Figura 17. Microscopio marca Axio Observer D1M [fuente propia].. 34.

(35) 8.4.. ENSAYO DE DESGASTE ABRASIVO. Para la realización de este ensayo se utilizó el procedimiento B establecido en la norma ASTM G65 el cual es empleado en materiales con alta resistencia al desgaste abrasivo. Este indica que la carga aplicada debe ser de 130 N, la duración de la prueba de 10 minutos y 2000 ciclos de la rueda (figura 11), también establece que el parámetro de variación será el de las revoluciones de la rueda más no el tiempo. Como la máquina de desgaste abrasivo de la Universidad Distrital (ANEXO D) no tiene variador de revoluciones, se tiene entonces las revoluciones por minuto dadas por el motor eléctrico que son de 1750 rpm. La salida del motor esta acoplada a un reductor sinfín corona el cual hace que las rpm disminuyan a un promedio de 164.2666 rpm, medida que se tomó con un tacómetro digital (figura 18). El parámetro de variación en este caso y por las condiciones de la maquina fue el tiempo.. Figura 18. Lecturas de las rpm del motor [fuente propia]. El tiempo calculado fue poco más de 12 minutos por prueba y se calculó de la siguiente manera: 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜𝑠 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜𝑠 2000 𝑟𝑒𝑣 = = 𝟏𝟐. 𝟏𝟕𝟓 𝒎𝒊𝒏 𝑟𝑝𝑚 𝑟𝑒𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑟𝑢𝑒𝑑𝑎 164.2666 𝑟𝑒𝑣⁄𝑚𝑖𝑛 35.

(36) El pesaje de las probetas fue necesario hacerlo antes y después de cada ensayo de desgaste abrasivo para saber así la masa pérdida durante la prueba. Para esto se utilizó la balanza de precisión Pioneer Ohaus localizada en el laboratorio de química de la Universidad Distrital Facultad Tecnológica. Luego de saber la cantidad de masa pérdida en gramos, se procedió a convertirla en unidades de volumen (mm3), ya que por la norma ASTM G65 estas son las unidades utilizadas para el análisis de los resultados. La conversión se hizo utilizando la siguiente ecuación dada también por la misma norma tomando el valor de la densidad del material como 7.8 g/cm3: 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑜 (𝑚𝑚3 ) = 8.5.. 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎 (𝑔) ∗ 1000 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 (𝑔⁄𝑐𝑚3 ). MICROSCOPIA ELECTRÓNICA DE BARRIDO (SEM). Con la microscopia electrónica de barrido lo que se busca es observar de manera más real y precisa la composición del material base y cómo es la apariencia de las probetas sometidas al desgaste abrasivo. Este procedimiento se realizó en la Ciudad Universitaria de la Universidad Nacional de Colombia con el microscopio marca FEI QUANTA 200 R, ya que en los recursos de la Universidad Distrital el microscopio AXIO OBSERVER D1M aumenta hasta los 1000x donde se puede apreciar la imagen con buena resolución, pero no es lo suficiente para observar y detectar más elementos de la microestructura del material. Con el equipo de SEM se puede llegar a una capacidad de visión de 300.000 aumentos, aunque solo se hizo la observación en aumentos de 50x, 100x, 200x, 500x, 1000x, 2000x y 5000x. En este procedimiento también se utilizaron lecturas de EDX para saber la composición de cada una de las fases y elementos presentes en las imágenes obtenidas. 9. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 9.1.. RESULTADOS DE MICRODUREZA. Los ensayos de microdureza se hicieron de manera general ya que como se podrá ver en la figura 21, la microestructura del material no revela fases muy distinguidas una de otra a 1000 aumentos como para tomar los datos en cada una de ellas. En la siguiente tabla aparecen los resultados de los 5 ensayos que se hicieron a cada una de las muestras del material:. 36.

(37) Tabla 3. Microdurezas en escala Vickers [fuente propia]. ENSAYO NO. 1 2 3 4 5 Promedio Desviación Estándar. MUESTRA 1 HV Conversión HRC 263 24.5 262 24.3 257 23.5 271 25.8 230 18 256.6 23.22. MUESTRA 2 HV Conversión HRC 275 26.4 269 25.5 287 28.1 308 30.7 273 26.1 282.4 27.36. 15.69. 15.81. 3.03. 2.10. Figura 19. Foto de la huella de microdureza [fuente propia]. Tanto en la muestra 1 como en la 2 se puede evidenciar que la dispersión fue relativamente baja, siendo la de la muestra 2 en cuanto a escala Rockwell la menor, notando también que los datos no tuvieron mucha variación ya que entre las dos muestras no hubo una diferencia muy notable de la variación estándar. 9.2.. RESULTADOS DE DUREZA. Los resultados de las durezas obtenidas en las dos muestras aparecen a continuación: 37.

(38) Tabla 4. Valores de dureza del acero AISI H13 [fuente propia]. ENSAYO NO. 1 2 3 4 5 Promedio Desviación Estándar. DUREZA MUESTRA 1 (HRB) 84.7 87.1 88.7 87.4 88.1 87.2 1.53. DUREZA MUESTRA 2 (HRB) 84.6 86.8 87.4 87.9 89.1 87.16 1.66. En cuanto a la dureza, el catalogo del material obtenido informa que la dureza del material es de aproximadamente 180 HB (ANEXO B), al convertir esta dureza Brinell a escala Rockwell B su resultado es de alrededor de 89 HRB. Al realizar un promedio entre la dureza de la muestra 1 y la 2, la dureza del material es de 87.18 HRB por lo que se puede afirmar que la dureza del acero AISI H13 es tal cual la mostrada por su distribuidor, y es una dureza equivalente a un material con microestructura obtenida a partir de un recocido blando, lo cual se analizará en el siguiente ítem.. Figura 20. Muestras de acero AISI H13 después de las pruebas de dureza [fuente propia].. Como se aprecia en los ensayos anteriores los resultados de microdureza varían sus valores a los de dureza, esto probablemente ocurre porque en el ensayo de microdureza se identa tanto la matriz como algunos carburos, los cuales por lo general presentan una dureza superior, dando unos valores en escala HRC en tanto que la dureza se dio en valores de HRB.. 38.

(39) 9.3.. RESULTADOS DE MICROESTRUCTURA. En las micrografías de las figuras 21 y 22, el material presenta una masiva precipitación de carburos esferoidales dispersados sobre una matriz ferrifica. Este tipo de microestructura es propio del acero AISI H13 obtenido para las pruebas, confirmando que fue entregado en estado de recocido, tal y como lo comercializa la compañía AXXECOL. Estas partículas pequeñas son conocidas como esferoiditas, cementitas globulares o esferoidales, obtenidas por medio de un recocido particular llamado esferoidizacion, el cual es empleado en aceros con microestructura perlitica que tienen una elevada dureza y lo que se quiere por el contrario es un material más blando y dúctil. En el proceso de esferoidizacion, las partículas de cementita se incrustan en una matriz continua de ferrita sin que haya un cambio en las composiciones de la fase ferrita ni cementita, como ocurre en la perlita. Una de las características de esta microestructura es que como no hay una cantidad considerable de límites de fase, la deformación plástica es más fácil y por consiguiente se obtiene un material blando. También como las partículas frágiles de cementita son muy pequeñas en comparación con la matriz ferritica, las grietas no tienen propagación en esta última superficie por lo que además de ser un material dúctil y blando también es tenaz.. 39.

(40) Figura 21. Micrografías acero AISI H13 a 100x y 1000x tomadas en el microscopio Axio Observer D1M [fuente propia]. En la figura 21, se muestra una imagen del acero AISI H13 tomada a 100 aumentos de la cual se siguió aumentando progresivamente hasta llegar a una imagen de 1000x, en esta última se puede ver una estructura ferrítica con varios carburos esferoidales, los cuales se pueden apreciar mejor en las imágenes obtenidas por medio de microscopía electrónica de barrido (SEM), ya que con este microscopio se obtuvieron imágenes de hasta 5000 aumentos (figura 22). Con las imágenes del SEM se observan mejor la forma de la esferoidita, la cual aparece como pequeños granos de color blanco.. 40.

(41) ESFEROIDITAS. CARBUROS GRANDES. MATRIZ FERIITICA. Figura 22. Micrografías acero AISI H13 a 1000x y 5000x tomadas en el microscopio Fei Quanta 200-r [fuente propia]. Con la microscopia electrónica de barrido se puede obtener por medio de análisis EDX la composición de cada una de las fases presentes en la microestructura del material. Para efecto de poder diferenciar cada elemento presente en la microestructura y poder saber su composición, en la figura 22 se procede a nombrar cada uno de ellos. 41.

(42) Figura 23. EDX realizado los carburos grandes de la microestructura [fuente propia].. Figura 24. EDX realizado en matriz de la microestructura [fuente propia]. 42.

(43) Figura 25. EDX realizado en esferoidita de la microestructura [fuente propia]. En todos los análisis de composición, aparecen los componentes propios del acero AISI H13 (C, Si, Cr, Mo, y V) excepto el Mn, apareciendo también en la composición de la matriz Al y S que son elementos que difieren de la composición química de este material y por lo tanto son impurezas presentes. En cada fase existe una variación minina en la presencia de Si, V, Cr, los porcentajes en peso del material de estos elementos son muy cercanos a los brindados en el catálogo del acero. En el EDX realizado a la esferoidita, el Molibdeno está como un componente presente, por lo se puede deducir que estos son carburos globulares de Fe, Cr, Mo y Va. El carbono es el componente que más varía en cada fase, encontrándose mayor cantidad en el grano. En la composición teórica del material, este elemento debe estar alrededor de 0,4% en peso del acero, por lo que los datos arrojados en el EDX son excesivamente altos comparados con estos.. 43.

(44) 9.4.. RESULTADOS DE DESGASTE ABRASIVO. En las figuras 26, 27 y 28 se aprecian las imágenes tomadas por microscopia electrónica de barrido, donde se pueden apreciar los diferentes tipos de marcas ocasionadas en los ensayos de desgaste abrasivo.. Figura 26. Desgaste abrasivo acero AISI H13 a 200x.. Figura 27. Desgaste abrasivo acero AISI H13 a 1000x. En las imágenes se pueden apreciar una serie de bajas deformaciones plásticas en la superficie, ya que aparecen surcos o microarados que tienen poca profundidad, ocasionados principalmente por el efecto de rodadura del material abrasivo (arena de Ottawa), las cuales con sus bordes irregulares causan este tipo 44.

(45) de marcas en el material. También se pueden apreciar desgarres o desprendimientos bruscos debidos a esfuerzos producidos por los granos de la arena al incrustarse y luego salir nuevamente del material. Se ven también unos poros o microcavidades, los cuales son desprendimientos posiblemente de carburos.. Figura 28. Desgaste abrasivo acero AISI H13 a 5000x. Con esta serie de imágenes se puede ver que el desgaste en términos generales fue uniforme, que el acero AISI H13 tiene una buena resistencia al desgaste abrasivo, ya que el material de abrasión no causo mayor daño en este, como la aparición de micro grietas o microcortes que pueden conllevar a la picadura y perdida del material a futuro. En cuanto a los datos de perdida volumétrica del material (tabla 5) se puede inferir que aplicando el procedimiento B de la norma ASTM G65 se tienen unos valores permisibles y que comparados con otros tipos de acero, este tiene unos valores de perdida volumétrica relativamente bajos, demostrando el buen comportamiento del material sin ningún tipo de tratamiento frente al fenómeno del desgaste abrasivo. (Los resultados de pérdida de masa se pueden observar en el ANEXO E).. 45.

(46) Tabla 5. Resultados prueba de desgaste abrasivo. MASA ANTES MASA PROBETA DE LA PRUEBA DESPUES DE (g) LA PRUEBA (g) 1a 243.76 243.27 1b 243.27 242.71 2a 293.15 292.51 2b 292.51 291.91 3a 308.29 307.69 3b 307.69 307.17 PROMEDIO DESVIACIÓN ESTÁNDAR. 46. PÉRDIDA DE MASA (g) 0.49 0.56 0.64 0.6 0.6 0.52 0.57 0.06. PÉRDIDA VOLUMETRICA (mm3) 62.82 71.79 82.05 76.92 76.92 66.67 72.86 7.18.

(47) 10. CONCLUSIONES Los resultados obtenidos en la microestructura del material fueron los esperados a los datos brindados por el proveedor del material el cual afirma que la forma de entrega del acero AISI H13 es recocido, según micrografías obtenidas podría ser un recocido de esferoidización. En cuanto a la microdureza del material no se pudo deducir mucho, ya que esta prueba se realizó en forma general y por la microestructura del material no fue posible conocer estos valores de cada fase presente. Los valores de dureza del material se dieron como se esperaba, tomando en cuenta los datos brindados en el catálogo de la compañía comercializadora del material. Con esto se puede estar seguro que el material comprado en efecto corresponde al acero AISI H13 y brinda la confianza para poder obtener los datos necesarios de su resistencia al desgaste abrasivo. Como se sabe los valores de microdureza de una matriz ferrítica son más blandos en comparación con los carburos presentes, debido a que la microdureza se tomó en una área donde están presentes tanto la matriz como estos carburos, los resultados se ven afectados, por lo que se puede relacionar esto con la variación de datos de la dureza y microdureza. Entre las características de este acero, destaca su elevada resistencia al desgaste abrasivo pero no se encuentra datos o estudios que informen sobre sus valores de pérdida volumétrica en mm3 que en la norma ASTM G65 es la unidad con la que se determina la resistencia abrasiva. Gracias a este trabajo se pudo obtener datos de referencia para futuras investigaciones. La variación de los datos en cuanto a la pérdida de masa del material se debe a que no fueron muy precisas las mediciones del tiempo de duración de la prueba y también puede influir la medida del grosor de cada probeta.. 47.

(48) 11. BIBLIOGRAFIA [1] Ing. Edgar Jesús López López. Estudio Experimental del Desgaste Abrasivo en Aceros AISI 8620, D-2 y H13 con y sin Tratamiento Superficial. México D.F, 2004. Tesis (Maestro en Ciencias en Ingeniería Mecánica). Instituto Politécnico Internacional. Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Sección de Estudios de Posgrado e Investigación. Disponible en: <http://tesis.bnct.ipn.mx/dspace/bitstream/123456789/16492/3/Estudio%20exp erimental%20del%20desgaste%20abrasivo%20en%20aceros%20aisi%20862 0,%20d-2%20y%20h-13%20con%20y%20sin%20tratamiento%20.pdf> [2] Solís Romero J., Oseguera Peña J., Salas Martinez O., Gonzales Sánchez J., Rojo Varela A. Comportamiento Tribológico del Acero H13 Tratado Superficialmente. México, 2013. Sociedad Mexicana de Ciencia y Tecnología de Superficies y Materiales. Disponible en: <http://www.scielo.org.mx/pdf/sv/v26n1/v26n1a5.pdf> [3] G.P. Rodríguez, G. Herranz, V. Velasco, J. Simao. Comportamiento Tribológico del Acero AISI H13 Mecanizado por Electroerosión (EDM). España, 2010. XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica. Asociación Española de Ingeniería Mecánica. Instituto de investigaciones Energéticas y Aplicaciones Industriales. Grupo de Materiales Metálicos. Disponible en: <http://www.uclm.es/actividades/2010/congresoIM/pdf/cdarticulos/240.pdf> [4] Gilberto Bejarano Gaitán, Maryory Gómez Botero, Mauricio Arroyave Franco. Deposition and Characterization of Duplex Treated Coating System Applied on Hot Work Steel AISI H13. Medellín, 2012. Articulo Regular. Universidad de Antioquia. Grupo de Corrosión y Protección. Disponible en: <http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S025569522012000200008> [5] Virginia Campos Sanabria, Luis Daniel Aguilera Camacho, José Alberto Zavala Bustos, J. Santos García Miranda, Karla Judith Moreno Bello. Estudio de Fricción y Desgaste de un Acero AISI H13 Recubierto Con TiCN. México, 2016. Instituto Tecnológico de Celaya. Disponible en: <http://www.itcelaya.edu.mx/ojs/index.php/pistas/article/view/177/174> [6] M. en I. Felipe Díaz del Castillo Rodríguez. Tribología: Fricción, Desgaste y Lubricación. Cuautitlán Izcalli, 2007. Lectura de Ingeniería. Universidad Nacional Autónoma de México. Facultad de Estudios Superiores Cuautitlán. Departamento de Ingeniería. Disponible en: <http://olimpia.cuautitlan2.unam.mx/pagina_ingenieria/mecanica/mat/mat_mec /m1/tribologia.pdf> [7] Mecanismos de Desgaste. Disponible en: <http://es.slideshare.net/cristianstiveng1/mecanismos-de-desgaste> 48.

(49) [8] Manuel Rodríguez Pérez. Aspectos Básicos Sobre la Clasificación del Desgaste. 2013. Disponible en: <http://www.monografias.com/trabajos96/aspectos-basicos-clasificacion-deldesgaste/aspectos-basicos-clasificacion-del-desgaste.shtml> [9] Desgaste por Abrasión en Materiales. Disponible en: <http://es.slideshare.net/erikromero23/desgaste-porabrasionenmateriales> [10] Norma ASTM G65, Standard Practice for Conducting Dry Sand/Rubber Wheel Abrasion Test. [11] Aceros para Trabajo en Caliente AISI H13, Características. Tomado de: <https://l1.cdnwm.com/ip/metapol-acero-para-trabajo-en-calientecaracteristicas-del-producto-481772.pdf> [12] AISI H13 Acero para Herramientas, Rangos de Composición Química. Tomado de: <http://www.sumindu.com/especificaciones/4-%20H13.pdf> [13] Acero SISA, Acero para trabajo en caliente, Aplicaciones típicas. Tomado de: <http://sisa1.com.mx/pdf/Acero%20SISA%20H13.pdf> [14] ORVAR® SUPREME, Acero para Utillajes de Trabajo en Caliente. Disponible en: <https://docs.google.com/viewer?url=http%3A%2F%2Faxxecol.com%2F_Axxe col%2F_DwPortal%2FDocuments%2FOrvar%2520Supreme.pdf> [15] Orvar Supreme, Tomado de: <https://www.acerosuddeholm.com/2318.htm> [16] Equipo, Suelos Ensayados Y Metodología. Tomado de: <https://www.yumpu.com/es/document/view/14441775/universidad-de-chilefacultad-de-ciencias-fisicas-y-matematicas-/111>. 49.

(50) 12. ANEXOS. ANEXO A NORMA ASTM G65. 50.

(51) Anexo 1. Página 1 de la norma ASTM G65.. 51.












(63) ANEXO B COMPOSICIÓN E INFORMACIÓN DEL MATERIAL Y FACTURA DE COMPRA. 63.

(64) Anexo 13. Composición química del acero AISI H13 brindada por la compañía AXXECOL.. Anexo 14. Generalidades del acero AISI H13. 64.

(65) Anexo 15. Factura de la compra del acero AISI H13.. 65.

(66) ANEXO C ARENA USADA EN EL DESGASTE ABRASIVO. 66.

(67) Anexo 16. Empaque de la arena de Ottawa.. Anexo 17. Arena de Ottawa. 67.

(68) ANEXO D MAQUINA DE DESGASTE ABRASIVO. 68.

(69) Anexo 18. Máquina de desgaste abrasivo.. Anexo 19. Flujo laminar de la arena de Ottawa.. Anexo 20. Rueda de la máquina de ensayo para desgate abrasivo. 69.

(70) ANEXO E PESAJE DE LAS PROBETAS USADAS EN LOS ENSAYOS DE DESGASTE ABRASIVO. 70.

(71) Anexo 21. Pesaje de la probeta 1a antes y después del ensayo de desgaste.. Anexo 22. Pesaje de la probeta 1b antes y después del ensayo de desgaste.. 71.

(72) Anexo 23. Pesaje de la probeta 2a antes y después del ensayo de desgaste.. Anexo 24. Pesaje de la probeta 2b antes y después del ensayo de desgaste. 72.

(73) Anexo 25. Pesaje de la probeta 3a antes y después del ensayo de desgaste.. Anexo 26. Pesaje de la probeta 3b antes y después del ensayo de desgaste.. 73.

(74)