Obtención y evaluación de fundentes aglomerados aleados para el recargue de rodillos de estera mediante el proceso de soldadura por arco sumergido (SAW)

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(1)UNIVERSIDAD CENTRAL “MARTA ABREU” DE LAS VILLAS FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA CENTRO DE INVESTIGACIONES DE SOLDADURA. TRABAJO DE DIPLOMA. Obtención y evaluación de fundentes aglomerados aleados para el recargue de rodillos de estera mediante el proceso de soldadura por arco sumergido (SAW). Autor: Ernesto David Aranguiz Ruiz Tutor: Dr. Lorenzo Perdomo González Dr. Arnaldo Herrera Artiles Ing. Francisco I. Laredo Pentón. Curso 2011 – 2012 Año 54 de La Revolución. 1.

(2) Pensamiento. "Nunca consideres el estudio como una obligación, sino como una oportunidad para penetrar en el bello y maravillosos mundo del saber." Albert Einstein (1879 – 1955) Físico alemán. 2.

(3) Dedicatoria Este trabajo se lo dedico a mis padres, mi abuela y mi tía, por haberme apoyado en todo momento.. 3.

(4) Agradecimientos. A mis padres Jesús y Norma, mi abuela Rosario y mi tía Laudelina, a mis demás familiares, por todo el apoyo que me han brindado a lo largo de estos años, a mis compañeros y amigos, a mis tutores por sus sabias orientaciones, a mis profesores que me ayudaron en mi formación docente y profesional y a todos aquellos que participaron de una forma u otra en la realización de este trabajo…. A todos muchas gracias. 4.

(5) RESUMEN. En el trabajo se presenta la elaboración de fundentes aglomerados aleados de acuerdo a un diseño de experimento, para el recargue duro de rodillos de esteras de bulldozer mediante el proceso de soldadura por arco sumergido (SAW). Se presenta la preparación de las materias primas, obtención y evaluación de los fundentes, donde se utiliza como matriz el fundente comercial AH-348 y como carga aleante FeCrMn obtenido, mediante procesamiento aluminotérmico de pirolusita y cromitas refractarias, en el Centro de Investigaciones de Soldadura (CIS). Son obtenidos los depósitos correspondientes a los diferentes fundentes elaborados y se realiza la caracterización de los depósitos en cuanto a composición química, metalografía, dureza y microdureza. Se concluye que los depósitos se caracterizan por la presencia de C, Cr, y Mn y que la presencia de carburos de cromo distribuidos uniformemente es la condición más favorable para el recargue de los rodillos de bulldozer.. 5.

(6) ABSTRACT. This paper presents the development of alloyed agglomerated fluxes according to a design of experiment, for hardfacing roller mats bulldozer through the process of submerged arc welding (SAW). We report the preparation of raw materials, procurement and testing of the fluxes, where the matrix is used as a commercial flux AN-348 and as alloying FeCrMn load obtained by aluminothermic processing of refractory chromite and pyrolusite in Welding Research Center (CIS). Deposits are obtained for the different fluxes produced and performed the characterization of the deposits in terms of chemical composition, metallography, hardness and microhardness. It is concluded that the deposits are characterized by the presence of C, Cr, and Mn and that the presence of chromium carbides evenly distributed is the most favorable condition for the recharge of the bulldozer rollers.. 6.

(7) ÍNDICE. INTRODUCCIÓN .......................................................................................................................... 1 CAPÍTULO I: FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA............................................................................. 4 1.1 Desgaste ............................................................................................................................. 4 1.1.1 Dinámica del desgaste .................................................................................................. 5 1.1.2 Tipos de desgaste y Clasificación ................................................................................. 6 1.2 Maquinaria de movimiento de tierra (Bulldozer)................................................................ 11 1.2.1 Descripción de los rodillos de esteras ......................................................................... 11 1.3 Proceso de soldadura con arco sumergido. Descripción y Principio de funcionamiento ... 13 1.3.1 Soldadura semiautomática.......................................................................................... 16 1.3.2 Soldadura mecanizada ............................................................................................... 16 1.3.3 Soldadura automática (proceso SAW) ........................................................................ 16 1.3.3.1 Ventajas y limitaciones del proceso SAW ........................................................... 17 1.3.3.2 Variaciones del proceso....................................................................................... 17 1.4 Fundentes para soldadura mediante SAW. Tipos y Características .................................. 18 1.4.1 Fundentes fundidos .................................................................................................... 19 1.4.2 Fundentes aglomerados ............................................................................................. 20 1.4.3 Influencia del fundente sobre la estabilidad del arco ................................................... 21 1.5 Minerales para el desarrollo de consumibles de soldadura. Principales características..... 22 1.5.1 Minerales de cromo. Principales características.......................................................... 23 1.5.2 Minerales de Manganeso. Principales características ................................................. 25 1.6 Influencia de elementos de aleación.................................................................................. 26 1.7 Ferroaleaciones................................................................................................................. 27 1.7.1 Ferrocromo. Características ....................................................................................... 27 1.7.2 Ferromanganeso. Características ............................................................................... 28 7.

(8) CAPÍTULO II: MATERIALES Y MÉTODOS ............................................................................... 29 2.1 Materias primas para la elaboración del fundente ............................................................ 29 2.1.1 Selección de las materias primas ................................................................................ 29 2.1.2 Obtención de la ferroaleación de manganeso cromo ................................................. 29 2.1.3 Procesamiento aluminotérmico .................................................................................. 29 2.1.4 Preparación de las materias primas para la obtención de la ferroaleación ................. 30 2.1.5 Extracción y separación de los productos .................................................................. 32 2.2 Obtención de los fundentes aglomerados aleados ........................................................... 33 2.2.1 Diseño de experimento .............................................................................................. 33 2.2.2 Preparación de las mezclas aglutinadas como fundentes ........................................... 34 2.3 Obtención de los depósitos de soldadura ......................................................................... 35 2.4 Caracterización de los depósitos ...................................................................................... 36 2.4.1 Medición de dureza y microdureza............................................................................. 36 2.4.2 Análisis metalográfico ................................................................................................ 36 2.4.3 Análisis químico ......................................................................................................... 37 CAPÍTULO III: ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS ................................................................... 39 3.1 Obtención de las aleaciones.............................................................................................. 39 3.2 Evaluación de los fundentes ............................................................................................. 40 3.2.1 Comportamiento tecnológico....................................................................................... 40 3.2.2 Comportamiento de la dureza y microdureza de los depósitos .................................. 42 3.2.3 Análisis metalográfico ................................................................................................. 44 3.2.4 Composición química de los depósitos ....................................................................... 47 CONCLUSIONES ....................................................................................................................... 50 RECOMENDACIONES ............................................................................................................... 51 BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................................................... 52. 8.

(9) INTRODUCCIÓN. El Centro de Investigaciones de Soldadura (CIS), por sus características es un centro que investiga la obtención de nuevos materiales para soldar (electrodos y fundentes), con el objetivo de satisfacer las necesidades del país y del propio centro. Estos estudios realizados por el CIS y vinculado a otras empresas y entidades estatales, pretenden evitar las importaciones de estos materiales utilizados por Cuba. Con este fin el centro viene trabajando hace años en el desarrollo de consumibles y ferroaleaciones para su aplicación en las diferentes empresas [1]. Los fundentes y electrodos utilizados en los diferentes procesos de soldadura para recargues duros, tienen como sustancias esenciales para garantizar las propiedades de los depósitos las ferroaleaciones, de las cuales un grupo de ellas se obtiene en el CIS a partir de la cromita refractaria, la pirolusita, residuales industriales, entre otros, cuentan además en su composición con otros componentes, como lo son el grafito, dolomita, calcita, feldespato, etc. Dentro de las ferroaleaciones, el FeCr, FeMn y el FeCrMn, están entre las de mayor empleo cuando se requieren propiedades que pueden atenuar el desgaste, por utilizar una aleación de tipo FeCrMn puede simplificar y abaratar el proceso de obtención del consumible [2]. La aplicación de recubrimientos duros ha tomado un gran auge debido a la importancia técnico económico dado a la recuperación de las piezas expuestas al desgaste. Esta necesidad de recuperación se presenta principalmente en las partes y piezas de equipos donde el contacto con materiales provoca desgaste o desprendimiento de su superficie, lo cual trae como consecuencia una disminución de su vida útil y por tanto su puesta fuera de servicio. En la aplicación de un recubrimiento duro o relleno superficial se logra alargar el período productivo de la pieza o equipo [3]. Los fundentes para la recuperación de piezas (rodillos de esteras) mediante el proceso de soldadura por arco sumergido (proceso SAW), deben permitir la obtención de depósitos con determinadas propiedades, no solamente mecánicas, sino propiedades de resistencia al mecanismo de desgaste que se presente en las condiciones específicas de trabajo, ya sea el mecanismo abrasivo o adhesivo, etc. Este aspecto puede ser logrado mediante la acción conjunta de varios factores como son la composición química, la dureza, microestructura, etc. Los rodillos que se pretenden recuperar por el proceso SAW, son expuestos al desgaste principalmente abrasivo, donde la composición del fundente y particularmente su carga aleante, deben proporcionar las propiedades requeridas al material depositado. 1.

(10) Problema científico Se desconocen la composición química, microestructura y dureza de depósitos obtenidos con un fundente aglomerado producido con una matriz de fundente de alta sílice y alto manganeso y una carga aleante de FeCrMn, obtenida mediante procesamiento aluminotérmico, de forma tal que permita establecer criterios sobre su desempeño frente al desgaste.. Hipótesis A partir de la caracterización química, metalográfica, ensayos de dureza y microdureza, es posible establecer criterios acerca de la posibilidad de enfrentamiento al desgaste abrasivo con ligero impacto de los depósitos obtenidos con fundentes aglomerados, elaborados con una matriz fundida y FeCrMn como carga aleante.. Objetivo General Establecer criterios acerca de la capacidad para enfrentar el desgaste de depósitos obtenidos con fundentes de matriz fundida y FeCrMn como carga, aleante obtenido por aluminotermia, a partir de la caracterización química, metalográfica y los ensayos de dureza y microdureza.. Objetivos Específicos 1. Obtener la ferroaleación al cromo manganeso. 2. Elaborar fundentes aglomerados aleados de acuerdo a un diseño de experimentos. 3. Obtener y caracterizar, en cuanto a composición química,. microestructura, dureza y. microdureza, los depósitos correspondientes a los fundentes elaborados.. Tareas 1. Realización de una revisión bibliográfica sobre el tema que permita establecer los fundamentos esenciales para la realización del trabajo. 2. Obtención de FeCrMn para su empleo en la carga aleante de los fundentes y obtención de estos en base a un diseño de experimentos. 3. Obtención de los depósitos para un régimen dado de parámetros de soldadura.. 2.

(11) 4. Caracterización de los depósitos en cuanto a, composición química, metalografía, dureza y microdureza.. 3.

(12) CAPÍTULO I FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA. 1.1 Desgaste El desgaste se define como un proceso complejo que se produce en las superficies de los cuerpos sólidos debido a la fricción de otro cuerpo o medio; trayendo por consecuencia la variación de la macro y micro geometría superficial; de la estructura; y de las propiedades de las capas superficiales; con o sin pérdida de material [4]. De forma general se conoce, que tanto durante el período de explotación de las máquinas, como el almacenaje, ocurren procesos que predeterminan no sólo la disminución de la capacidad de trabajo de las máquinas, sino también la pérdida total de esta cualidad [5]. Las causas más frecuentemente de los fallos de las máquinas como resultado de la pérdida de la capacidad de trabajo de éstas son las siguientes [4, 6]: - ruptura (rotura) de las piezas debido a la fatiga superficial y disminución de la resistencia. - variación de las dimensiones, forma geométrica y la posición relativa de las piezas como resultado del desgaste de las capas superficiales producto de la acción de nuevas cargas. - rotura y deterioro de las piezas debido a la acción de la corrosión y al envejecimiento de los materiales. - disminución de la capacidad de trabajo de las piezas y uniones tribológicas como resultado de la unión recíproca de las cargas externas. De todas estas causas la que más influencia tiene en la intensidad de fallos de las máquinas, es el desgaste de los elementos de fricción (uniones tribológicas) [7, 8]. Cuando una máquina entra en servicio, sus distintas piezas en movimiento están sometidas en la generalidad de los casos, a esfuerzos y solicitaciones mecánicas múltiples y combinadas. Siempre puede considerarse una primera etapa en la que los órganos en movimiento empiezan a desgastarse muy rápidamente pero decrece enseguida sin comprometer en ningún caso el buen funcionamiento aunque de todos modos es importante tomar en cuenta una serie de precauciones que, si bien parecen de sentido común, tienen decisiva importancia en la vida útil de la máquina. Vigilar el calentamiento, el comportamiento de la carga y la velocidad, así como. 4.

(13) disponer del lubricante adecuado y en abundancia son algunas de las precauciones a tomar en cuenta durante esta primera etapa [4, 5, 7, 8]. Una segunda etapa considerada por los tribólogos como de marcha normal, representa de hecho la vida real o útil de las piezas en la que el ritmo del desgaste se reduce al mínimo, es decir es débil o al menos constante. Sobrecargas, errores humanos, medio ambiente agresivo, deficiente lubricación y otras son las causas que acortan esta etapa [4, 8]. Posteriormente, en una última etapa considerada de envejecimiento y muerte, el desgaste aumenta considerablemente, apareciendo roturas y fallos cada vez más frecuentes [4].. 1.1.1 Dinámica del desgaste La ley que define la variación de la magnitud del desgaste con el tiempo se denomina "dinámica del desgaste". El modelo más tradicional de la dinámica del desgaste se da en la figura 1.1. [4, 5].. Figura 1.1: Dinámica del desgaste. 1 - Periodo de asentamiento; 2 - Periodo de desgaste (normal); 3.- Periodo de desgaste catastrófico [4] 1. Periodo de Asentamiento Se caracteriza por una alta velocidad e intensidad del desgaste. La magnitud del desgaste en este periodo puede llegar al 30 - 50 % del desgaste permisible. Durante este periodo el contacto se produce en los picos más altos de la rugosidad superficial generando altas presiones y deformaciones; con el transcurso del tiempo aumenta Ar y la velocidad del desgaste se hace menor [4, 5].. 5.

(14) 2. Periodo de desgaste normal Producto de la disminución de las presiones reales, al existir una mayor área de contacto real; la velocidad del desgaste se hace constante y el desgaste sigue aumentando con un ritmo más lento; hasta llegar al punto B (Figura 1.1) [4]. 3. Periodo de desgaste catastrófico La magnitud del desgaste es tal que se genera en la unión tribológica cargas dinámicas complementarias; lo que representa aumento de la temperatura; del nivel de ruido; y de las vibraciones; este periodo se conoce como "periodo de avería" [4]. De forma general se conoce, que tanto durante el período de explotación de las máquinas, como el almacenaje, ocurren procesos que predeterminan no sólo la disminución de la capacidad de trabajo de las máquinas, sino también la pérdida total de esta cualidad [4]. Las causas más frecuentemente de los fallos de las máquinas como resultado de la pérdida de la capacidad de trabajo de éstas son las siguientes [4, 5]:. . Ruptura (rotura) de las piezas debido a la fatiga superficial y disminución de la resistencia.. . Variación de las dimensiones, forma geométrica y la posición relativa de las piezas como resultado del desgaste de las capas superficiales producto de la acción de nuevas cargas.. . Rotura y deterioro de las piezas debido a la acción de la corrosión y al envejecimiento de los materiales.. . Disminución de la capacidad de trabajo de las piezas y uniones tribológicas como resultado de la unión recíproca de las cargas externas. Fenómeno de desgaste. Acción de los medios químicos activos.. De todas estas causas la que más influencia tiene en la intensidad de fallos de las máquinas, es el desgaste de los elementos de fricción (uniones tribológicas) [4, 7].. 1.1.2 Tipos de desgaste y Clasificación Dentro de la tribología un aspecto de extremo cuidado resulta la definición o clasificación de los diferentes tipos de desgaste, por lo complejo que resulta este fenómeno y por el hecho de que en la mayoría de los casos pueden estar teniendo lugar más de un tipo de desgaste. La existencia de diferentes tipos de uniones de fricción y el poder afectar éstas a distintas áreas, las 6.

(15) distintas formas de rotura y los variados tipos de deformaciones conducen a la existencia de distintos tipos de desgaste; es necesario, por tanto, considerar cada caso particular, para poder llegar al conocimiento del mismo. No es posible dar una regla fija para todas las formas de desgaste, y este es afectado por una gran diversidad de factores, entre ellos se pueden mencionar el tipo y magnitud de la carga, velocidad, cantidad y tipo de lubricante, clase de lubricación, temperatura de las superficies y volumen del material, propiedades mecánicas de los mismos (dureza, resistencia a la deformación, etc.), acabado superficial, presencia de partículas extrañas, naturaleza química del medio ambiente, la cual tendrá una importancia decisiva al variar la naturaleza de las superficies, etc., y de acuerdo con las variaciones que pueden introducir éstos y otros factores, serán más o menos acusados los efectos del desgaste producido. Normalmente, en ingeniería no se presenta un tipo de desgaste aislado. Por esta causa no es fácil en una aplicación, establecer con seguridad el tipo de desgaste que ha tenido lugar y menos aún remediarlo [5-7, 9]. La existencia de una o más forma de los mecanismos de desgaste explicados, da lugar a diferentes tipos de desgaste en los elementos de máquinas; en este sentido se puede plantear que aún no existe una forma única de designación y clasificación de los tipos de desgaste [5]. Existe otra forma de clasificar el desgaste la cual considera en un caso la naturaleza de la interacción de las superficies durante la fricción y en otro, la naturaleza de los procesos que tienen lugar en las capas superficiales. De modo general esta clasificación incluye: desgaste abrasivo o microcorte, corrosivo, fatiga superficial, así como otros mecanismos de desgaste poco comunes [6]. Existen diferentes tipos de desgastes según algunos investigadores. Puede señalarse, como clasificación más general del desgaste, que se encuentra en dos grandes grupos [4, 7]: 1. Desgastes naturales. 2. Desgastes naturales o efectos de avería. La clasificación según el movimiento relativo expuesto por Siebel [10]: 1. Desgaste por deslizamiento. 2. Desgaste por rodadura. 3. Desgaste por impacto. 4. Desgaste por erosión. 5. Desgaste por vibración. 7.

(16) Clasificación del desgate basándose en el mecanismo que este se desarrolla [4, 6, 7]: 1. Desgaste Adhesivo. 2. Desgaste Abrasivo. 3. Desgaste corrosivo (corrosivo-mecánico). 4. Desgaste por fatiga superficial.. Tabla 1.1: Clasificación de los tipos de deterioros superficiales y el desgaste [5] ETAPA I. ETAPA II. ETAPA III. Tipo de agarre superficial. Tipo de deterioro superficial. Mecanismo de desgaste superficial. Mecánico. Cizallamiento. Abrasivo. Térmico. Deformacional. Fatiga superficial. Químico. Adhesivo. Adhesivo. Absorción. Triboquímico. Mecánico – Corrosivo. Durante el trabajo de los rodillos están presentes diferentes tipos de desgaste, entre los cuales se tienen: fatiga superficial, por impacto, por deslizamiento, corrosivo y como principal el desgaste abrasivo [11]. Desgaste abrasivo Este tipo de desgaste no es más que el corte o rayado de las superficies de fricción debido a la acción de partículas duras, su nivel de intensidad define la capacidad de trabajo del par de fricción [6]. La utilización de materiales de elevada resistencia, donde el mecanismo fundamental de desgaste resulta la fatiga superficial, permite suponer que la rotura tendrá lugar a un elevado número de ciclos, si las tensiones de contacto no alcanzan el valor crítico, entonces el número de ciclos para la rotura será tan alto cuanto menor sea la relación entre las tensiones de contacto y la crítica [5, 6]. El análisis del mecanismo de desgaste abrasivo muestra, que en la mayoría de los casos el desprendimiento de partículas puede mezclarse con el efecto de la fatiga superficial.. 8.

(17) Varios son los factores que de una forma u otra tienen una marcada influencia sobre la intensidad del desgaste abrasivo. Dentro de estos uno muy importante resulta el tamaño de las partículas abrasivas duras. Existe un determinado diámetro de la partícula por encima del cual el desgaste permanece invariable (Figura 1.2) [3, 6, 7].. Figura 1.2: Influencia del tamaño de partícula sobre el desgaste abrasivo [6] A pesar de que no ha quedado del todo demostrado cuál es el tamaño de partícula crítico, se puede decir con una determinada precisión que el tamaño de las partículas abrasivas no debe sobrepasar los 0.2 mm [4]. También puede decirse que el desgaste abrasivo está determinado por la presencia de partículas en la zona de fricción, en este caso la destrucción de la superficie ocurre como resultado de la deformación plástica local, microrayaduras y microcortes cuando en el medio en que se encuentra la superficie existen elementos o partículas de elevada dureza. La separación de las partículas de la superficie en contacto se origina debido a que las irregularidades del material más duro se introducen en el más blando, mediante el deslizamiento plástico [5]. La destrucción del metal producto del microcorte o debido a la deformación plástica está estrechamente relacionada con las condiciones de trabajo de la pieza y de la naturaleza de las partículas abrasivas [4, 7, 9]. Según la relación de la dureza del abrasivo y la del metal, pueden aparecer tres regímenes del mecanismo de desgaste abrasivo [4]: 1. Régimen de desgaste abrasivo de transición. 2. Régimen de desgaste débil. 3. Desgaste abrasivo severo. El desgaste abrasivo puede dividirse en varios tipos [4]. 9.

(18) . Desgaste contacto - abrasivo por microcorte.. . Desgaste contaminante - abrasivo por deformaciones plásticas.. . Desgaste en masa abrasiva forma mecánico-química.. . Desgaste en masa abrasiva forma mecánica.. . Desgaste abrasivo de tres cuerpos.. . Desgaste abrasivo por impactos.. Desgaste por fatiga superficial: La teoría del desgaste por fatiga superficial fue planteada por Kragelski en 1952, siendo desarrollada por él y sus colaboradores. Según sus postulados los ciclos de cargas alternativas que surgen en las microirregularidades de los cuerpos en fricción, condicionan el deterioro paulatino de sus superficies y con ello el surgimiento de su rotura. Se supone que para tensiones superiores al límite de fatiga surjan tres estadíos característicos del proceso de variación de las microtensiones: 1- De rápida disminución, 2- De estabilización y 3- De rápido incremento. El efecto final está relacionado con la formación de microgrietas en la capa superficial [4-6]. Desde el punto de vista práctico resulta muy importante, el hecho de que, el material lubricante disminuye considerablemente las tensiones superficiales y como resultado el proceso de formación de las grietas se torna lento. Lo anterior hace que crezca el número de ciclos a los cuales tiene lugar la rotura [4, 9]. Para el caso del par duro – duro el coeficiente de fricción (f) aumenta con el incremento de la presión (Pn), siendo menor el grado de influencia en los pares lubricados, es decir de igual comportamiento pero de menor magnitud. En sus inicios el incremento de la velocidad trae consigo un ligero incremento del coeficiente de fricción y en lo posterior una estabilización [6]. Para el par duro – blando el incremento de la presión y la velocidad siempre provocan un incremento del coeficiente de fricción [6]. Desgaste corrosivo - mecánico Este desgaste se produce como resultado de la interacción dinámica de las influencias de contacto y de las condiciones del medio en el que se produce. Este fenómeno ocurre teniendo en cuenta las siguientes características [4, 8]: 10.

(19) La destrucción del metal siempre comienza por la superficie. 1. Se modifica el aspecto exterior de la superficie. 2. Se transforma la capa superficial, como resultado de productos de reacción.. 1.2 Maquinaria de movimiento de tierra (Bulldozer) Los bulldozer (Figura 1.3) son máquinas automóviles de gran potencia, provista de una pieza delantera móvil, de acero, que le permite abrirse camino removiendo obstáculos. Los bulldozer se usan principalmente para el transporte de materiales, esencialmente materiales de construcción, también se utilizan en la minería, trabajos de la vía publica, etc. Dentro de las piezas que componen estas máquinas se encuentran los rodillos, los que están ubicados en el tren de rodajes o esteras, los cuales cumplen diferentes funciones, como tensar la estera, entre otras [3].. Figura 1.3: Foto de un bulldozer. 1.2.1 Descripción de los rodillos de esteras Los rodillos de esteras (Figura 1.4) en su metal base están conformados por acero fundido de baja aleación, con la siguiente composición química de [3, 11]: 11.

(20) C = 0.40% Mn = 0.80% Si = 0.80%. Figura 1.4: Rodillos de esteras de un bulldozer [3] Como se señaló anteriormente el desgaste es un proceso complejo que se produce en las superficies de los cuerpos sólidos debido a la fricción de otro cuerpo o medio; trayendo por consecuencia la variación de la macro y microgeometría superficial; de la estructura; y de las propiedades de las capas superficiales; con o sin pérdida de material [6]. Las altas tensiones que surgen en las áreas reales de contacto y la temperatura que producto de la fricción se genera, predefinen para cualquier par tribológico los siguientes mecanismos básicos de enlace (agarre) superficial: adhesivo, abrasivo, corrosivo (corrosivo-mecánico) y fatiga, etc. Los rodillos están expuestos a condiciones severas de desgaste ya que forman parte del sistema de rodamiento del tractor y mantienen la tensión de la cadena o esteras y garantizan su alineación, tienden a fallar sobre todo por desgaste abrasivo debido al contacto directo con los abrasivos del suelo, lodo, etc.; también están sometidos a ligeros impactos, este ocurre al impactar la cadena del tren de rodaje (Figura 1.5) con el rodillo de la misma [3].. 12.

(21) Figura 1.5: Tren de rodajes o estera de un bulldozer [3]. 1.3 Proceso de soldadura con arco sumergido. Descripción y Principio de funcionamiento Uno de los más avanzados métodos en la tecnología de la soldadura es el de la soldadura automática y semiautomática bajo arco sumergido, el cuál en los últimos años ha recibido una amplia aplicación en la industria y en la construcción [12]. La soldadura por arco sumergido (SAW) produce la coalescencia de metales calentándolos con un arco entre un electrodo de metal desnudo y la pieza de trabajo. EI arco y el metal derretido están sumergidos en un manto de fundente granular fusible sobre el metal que se suelda. No se aplica presión, y el metal de aporte se obtiene del electrodo y del fundente en el caso en que el fundente es aleado. En la soldadura por arco sumergido, el arco está cubierto por fundente, el cual desempeña un papel preponderante porque la estabilidad del arco depende de él, las propiedades mecánicas y químicas del depósito de soldadura final se pueden controlar con el fundente y la calidad de la soldadura puede ser afectada por la forma como se maneje el mismo. La soldadura por arco sumergido es un proceso de soldadura de producción versátil capaz de 13.

(22) soldar con corrientes de hasta 2000 amperes de corriente alterna o corriente continua, empleando uno o varios alambres o tiras de metal de aporte. Es posible usar fuentes de potencia tanto de corriente alterna como de corriente continua en la misma soldadura simultáneamente [5, 13, 14]. Este proceso toma la cantidad de calor necesaria para la fusión del arco eléctrico, creado entre la pieza que se va a recuperar y el alambre-electrodo que constituye parte del material de aporte. Sobre este arco se deja caer mediante un dispositivo móvil, un fundente (segundo componente del material de aporte), que protege con una gruesa capa la zona de fusión, de la influencia del aire u otros agentes indeseables, y aporta al mismo tiempo elementos de aleación al depósito [13]. Esta capa de fundente cubre completamente el arco, el pozo de fusión y el metal depositado, en el avance solo queda al descubierto la capa de escoria una vez solidificada, esta capa de fundente evita que las radiaciones de los rayos infrarrojos y ultravioletas generados por el arco sean visibles desde el exterior (Figura 1.6) [14].. Figura 1.6: Proceso de soldadura SAW [14] En todo momento, se alimenta fundente adicional delante del electrodo y a su alrededor, y se distribuye continuamente sobre la unión. El calor producido por el arco eléctrico derrite progresivamente parte del fundente, el extremo del alambre y los bordes adyacentes del metal base, creando un charco de metal fundido debajo de una capa de escoria líquida. El baño fundido cerca del arco presenta mucha turbulencia, y burbujas de gas ascienden rápidamente a la superficie del charco. El fundente líquido puede conducir algo de corriente eléctrica entre el. 14.

(23) alambre y el metal base, pero el arco eléctrico es la fuente de calor predominante. EI manto de fundente que flota sobre el charco de soldadura evita que los gases atmosféricos contaminen el metal de soldadura y disuelve las impurezas del metal base y del electrodo, que entonces flotan sobre el charco. Además, el fundente puede agregar ciertos elementos de aleación al metal de soldadura, o extraerlos de él. AI avanzar la zona de soldadura a lo largo de la unión, el metal de soldadura primero y luego el fundente líquido se enfrían y solidifican, formando una franja de soldadura con una capa protectora de escoria encima. Es importante eliminar por completo la escoria antes de efectuar otra pasada de soldadura. Entre los factores que determinan si conviene o no usar soldadura por arco sumergido están [13-15]: 1. La composición química y las propiedades mecánicas 2. El espesor del metal base que se va a soldar. 3. La accesibilidad de la unión. 4. La posición en que se va a soldar. 5. La frecuencia o la cantidad de soldaduras que debe tener el depósito final. El proceso puede ser aplicado sobre superficies cilíndricas lisas, con escalón liso, con chaveteros, en superficies estriadas y superficies planas de piezas construidas de acero estructural, débilmente aleado, inoxidable, níquel, cobre y bronce, siempre que la magnitud mínima del depósito no sea menor de 0,8 a 1 mm. La capa aportada puede tener un amplio rango de propiedades en función de la combinación alambre-fundente seleccionado, y esto se logra con una alta productividad (3 a 80 Kg  h) sin pérdidas de calor por radiación y con poca deformación en la pieza que se va a recuperar. Este proceso no se recomienda para piezas cuyo diámetro sea menor de 50 mm. La pendiente máxima que admite con respecto a la línea horizontal, es de 5 ° y producto de que no es posible ver el arco porque queda bajo la capa de fundente, no permite recuperar piezas irregulares [10, 15, 16]. La soldadura por arco sumergido se puede aplicar en tres modos distintos: automático, semiautomático y mecanizado. En todos ellos es preciso colocar el trabajo de modo que el fundente y el charco de soldadura permanezcan en su sitio hasta solidificarse. Ya existen o pueden construirse muchos tipos de fijaciones y equipos de posicionamiento para satisfacer este requisito [14, 16].. 15.

(24) 1.3.1 Soldadura semiautomática La soldadura semiautomática se realiza con una pistola soldadora de mano (Figura 1.7) que suministra tanto el fundente como el electrodo. El electrodo es impulsado por un alimentador de alambre; el fundente puede suministrarse mediante una tolva de gravedad montada en la pistola o alimentarse a presión a través de una manguera. Este método requiere conducción manual empleando electrodos de diámetro relativamente pequeño y velocidades de recorrido moderadas. EI desplazamiento puede ser manual o impulsado por un motor pequeño montado en la pistola [14].. Figura 1.7: Pistola de soldadura de mano para arco sumergido [16] 1.3.2 Soldadura mecanizada En la soldadura automática mecanizada se emplea equipo que realiza toda la operación de soldadura, pero bajo la vigilancia de un operador que coloca el trabajo en su posición, inicia y detiene la soldadura, ajusta los controles y fija la velocidad de cada soldadura [14].. 1.3.3 Soldadura automática (proceso SAW) La soldadura automática se efectúa con equipo que realiza la operación de soldadura sin que un operador tenga que vigilar y ajustar continuamente los controles. EI costoso equipo de autorregulación se puede justificar si se desea alcanzar tasas de producción elevadas [14].. 16.

(25) 1.3.3.1 Ventajas y limitaciones del proceso SAW El empleo de la soldadura con arco sumergido presenta numerosas ventajas resultantes de los caracteres propios del procedimiento. Entre ellas se pueden citar [14]: 1. Grandes velocidades de ejecución obtenidas para el empleo de intensidades elevadas eficaces con varios hilos-electrodos. 2. Procedimientos de soldadura económico, la cantidad de metal a aportar es a menudo mucho más escaso que con los otros procedimientos de soldadura. 3. Poder de penetración elevado que permite reducir considerablemente o suprimir en ciertos casos el chaflanado. 4. Débiles deformaciones, con soldaduras de muy bello aspecto. 5. Arco invisible permitiendo al operador trabajar sin careta, y sin molestar el entorno. 6. Dominio muy amplio del procedimiento permitiendo su aplicación en los casos más variados: Soldadura de chapas delgadas, soldadura de chapas gruesas, soldadura de aceros dulces, aleaciones o inoxidables, trabajos de recargue y mantenimiento. 7. Excelente compacidad de las soldaduras. 8. Posibilidad, con los productos apropiados, de obtener juntas con excelentes características mecánicas. 9. Ninguna emisión de humos (en chapas propias). Entre las limitaciones se encuentran [14, 15]: 1. Se requiere una buena preparación de la junta, ya que ella no es visible durante el proceso. 2. El procedimiento, a causa de la fuerte penetración, corta las chapas inferiores a 18/10 mm de espesor. 3. Posición de la soldadura, únicamente plana y horizontal.. 1.3.3.2 Variaciones del proceso La soldadura por arco sumergido se presta a una amplia variedad de combinaciones de alambre y fundente, disposiciones de uno o varios electrodos, y empleo de fuentes de potencia de corriente alterna o corriente continua. Este proceso se ha adaptado a una amplia gama de. 17.

(26) materiales y espesores. Es posible usar diversas configuraciones de múltiples arcos para controlar el perfil de la soldadura e incrementar las tasas de deposición respecto a las de la operación con un solo arco. Los depósitos de soldadura pueden ir desde franjas anchas con poca penetración para trabajos de recubrimiento hasta franjas angostas con penetración profunda para uniones gruesas. Parte de esta versatilidad se debe al empleo de arcos de corriente alterna (ca). Los principios que favorecen el empleo de ca para minimizar el golpe de arco cuando se suelda con un solo arco, a menudo se aplican a la soldadura con múltiples arcos para crear una desviación de arco favorable. La corriente que fluye por electrodos adyacentes crea campos magnéticos que pueden reforzarse o bien reprimirse mutuamente. En el espacio entre los arcos, estos campos magnéticos sirven para producir fuerzas que desvían los arcos (y por tanto distribuyen el calor) en direcciones que benefician a la aplicación de soldadura propuesta. Se han diseñado y fabricado diversos tipos de fuentes de potencia y equipo accesorio especialmente para la soldadura con múltiples arcos. Estas máquinas relativamente avanzadas se destinan a la producción de alto volumen en series largas de aplicaciones repetitivas [14, 17, 18]. 1.4 Fundentes para soldadura mediante SAW. Tipos y Características En la selección del sistema aleante para el material de recargue (fundente), destinado a exponerse a las condiciones de trabajo requeridas (deterioro superficial), debe tenerse en cuenta que el desgaste es un comportamiento del material, cuya forma o grado de manifestación depende de factores externos e internos del propio material [5, 13]. Esto determina como ya se ha señalado, que la selección de los elementos aleantes para el material de relleno, debe responder al mecanismo de desgaste en las condiciones de trabajos del par, pero sobre todo es importante, que en el proceso de aplicación de relleno con ese sistema aleante, se logre la composición química, que bajo las condiciones (régimen de trabajo establecido), garantice las propiedades necesarias en la capa aportada (dureza, estructura, composición, etc.) [5]. Las funciones que realiza el fundente en el proceso SAW son en cierta medida similares a la que realiza el recubrimiento en el electrodo revestido, refuerza alguna de ellas por el hecho de cubrir totalmente el arco durante el proceso de fusión. Entre las funciones se pueden enumerar las siguientes [14, 15]: 1. Protege la fusión del alambre a través del arco eléctrico. 2. Protege el depósito contra gases atmosféricos. 18.

(27) 3. Limpia las impurezas del metal base y es formador de escoria fácilmente eliminable. 4. Aporta elementos aleantes que dan propiedades al depósito. Los fundentes protegen el charco de soldadura de la atmósfera al cubrir el metal con escoria fundida (fundente fusionado). Los fundentes limpian el charco de soldadura, modifican la composición química del metal de soldadura e influyen en la forma que adquirirá la franja de soldadura y en las propiedades mecánicas que tendrá. Los fundentes son compuestos minerales granulares que se mezclan de acuerdo con diversas formulaciones. Dependiendo del método de fabricación elegido, los diferentes tipos de fundentes se fusionan, aglomeran o mezclan por medios mecánicos [14]. Los fundentes para soldadura por proceso SAW, según la obtención y características de sus granos, se dividen en fundidos y aglomerados [15].. 1.4.1 Fundentes fundidos Los fundentes de este tipo se fabrican a partir de una mezcla de minerales, los cuales sufren el proceso de fusión en un horno eléctrico de arco, los granos que resultan en el enfriamiento no tienen forma definida y su aspecto es muy parecido al vidrio molido. Este tipo de fundente, como durante el proceso de fabricación (fusión) ya reaccionó en sus componentes activos, o sea no aporta las propiedades fundamentales al depósito, tiene un punto de fusión más bajo, por lo que la escoria que aporta es muy gruesa. No siempre los fundentes fundidos son neutros, pueden ser también de naturaleza, ácida, básica, la basicidad y la actividad química se determinan a partir de la composición química usando expresiones matemáticas conocidas [19]. Los fundentes fundidos no se recomiendan para obtener capas de media y de alta aleación por su alta capacidad de oxidación, pero aquellos que son aleados al manganeso con alto silicio dan poco nivel de poros y desprenden con facilidad la escoria [10]. Este tipo de fundente tiene como ventajas [14]: 1. Buena homogeneidad química. 2. Fácil eliminación de polvos finos sin afectar la composición del fundente. 3. Normalmente no son higroscópicos, lo que simplifica el manejo y el almacenamiento, y evita problemas al soldar.. 19.

(28) 4. Se recicla fácilmente mediante sistemas de alimentación y recuperación sin que cambie significativamente el tamaño de las partículas o su composición. Su desventaja principal es la dificultad para añadirles desoxidantes y ferroaleaciones durante la fabricación sin segregación ni pérdidas muy elevadas. Las temperaturas tan altas necesarias para fundir los ingredientes, limitan la gama de composiciones de los fundentes [14].. 1.4.2 Fundentes aglomerados Los fundentes aglomerados se fabrican también mediante una mezcla de minerales, con ferroaleaciones, grafito, etc., pueden ser obtenidos con matriz fundida o con matriz cerámica [10, 15]. Las materias primas son previamente seleccionadas, se trituran y calculan su proporción, se mezclan en seco en forma de polvo y se aglomeran con silicato de sodio o de potasio, o mezcla de ambos formando granos que después de sometidos a temperaturas inferiores a los fundidos se tamizan y seleccionan según la granulometría necesaria [15, 20]. Entre sus ventajas están las siguientes [12, 14]: 1. Es fácil añadir desoxidantes y elementos de aleación; estos últimos se agregan como ferroaleaciones o como metales elementales para producir aleaciones que no están fácilmente disponibles como electrodos, o para ajustar la composición del metal de soldadura. 2. Se puede usar una capa de fundente más gruesa al soldar. 3. Se pueden identificar por su color. Sus desventajas son las siguientes [14]: 1. Tendencia a absorber humedad como lo hacen los recubrimientos de algunos electrodos para soldadura manual. 2. Posible generación de gases a partir de la escoria fundida. 3. Posibles cambios en la composición del fundente debido a segregación o eliminación de partículas de grano fino. Diferentes autores precisan que los fundentes aglomerados aleados están formados por una matriz que generalmente representa el 60-80% de la composición total del fundente. Las matrices tienen la función de garantizar las propiedades tecnológicas del fundente, entre ellas [21]: la formación de la escoria y su desprendimiento, estabilidad del arco, formación de gases limpiadores, etc. y están constituidas por mezcla de sales anhídridas y óxidos que le confieren 20.

(29) propiedades físicas como fluidez, intervalo de temperatura de solidificación, etc.[16, 22, 23]. También se cita, que la matriz contiene en su composición un sistema de óxidos principales que caracteriza o identifica, y a partir de ellos se forma la escoria, que en interacción metalúrgica con el baño metálico permite eliminar las impurezas nocivas que aparecen en el mismo, influyendo positivamente en el comportamiento de las propiedades mecánicas del metal depositado [5, 15, 16]. La calidad de la soldadura por arco sumergido depende en gran medida de las propiedades del fundente empleado. Este debe garantizar la protección de la zona de soldadura contra el aire de la atmósfera, la estabilidad del arco, la buena formación de metal de la costura, que no proporcione la formación de grietas, la adecuada composición, estructuras y propiedades mecánicas del metal depositado, la separación fácil de la costra de escoria después del enfriamiento y el menor desprendimiento de polvo y gases dañinos para la salud del soldador. No debe ser demasiado higroscópico, sus granos deben estar caracterizados por una resistencia mecánica adecuada para que sea posible el avance ininterrumpido del fundente hacia la zona de soldadura [24]. La elección de la composición química del fundente depende principalmente de la composición del metal a soldar y del electrodo. Las propiedades físicas de los fundentes no son menos importantes que su composición química, donde la densidad, viscosidad, tensión superficial, temperatura de fusión, entre otras, juegan un papel esencial en la soldadura [15]. Por lo general, la temperatura de fusión del fundente no debe exceder los 1200°C. La viscosidad del fundente en estado fundido debe ser pequeña. En la mayoría de los casos se obtienen los mejores resultados con los fundentes que, al fundirse, forman escorias cortas. Del peso específico del fundente depende la formación del cordón. Cuanto menor sea el peso específico, es decir, cuanto más ligero sea el fundente, más ancha será la soldadura, puesto que la presión que ejerce la capa de fundente sobre el metal será menor. Al aumentar el peso específico, se obtendrá un cordón más abombado [10, 19].. 1.4.3 Influencia del fundente sobre la estabilidad del arco La estabilidad del proceso de soldadura por arco sumergido depende primeramente de la estabilidad de encendido del arco, U (voltaje de soldadura)  constante., Is (corriente de soldadura)  constante [17].. 21.

(30) Un encendido no estable del arco puede ser provocado por unas cuantas causas: aumento casual de la longitud del arco, debilitamiento periódico del arco en el cambio de metal o por la utilización de corriente alterna, características insuficientes de la fuente de corriente y otros factores. Gran significado también tiene la composición del fundente, del alambre electrodo y del metal base [10, 12]. Es conocido que la mancha catódica emite electrones, creando la conductividad más fácil a medida que sea menor el potencial de salida de los electrones. Por eso si el metal a soldar y el metal del electrodo presentan un potencial de salida menor, entonces para iguales condiciones va a tener un encendido más estable. En consecuencia, se puede influir sobre la estabilidad de encendido del arco por la vía de introducción en el metal de elementos con bajo potencial de ionización. Estas sustancias se calientan, se funden, se disocian y se volatilizan junto a los componentes del fundente y del metal que se suelda. Gracias a esto se hace más fácil la ionización en la columna del arco. Como complemento a esto señalamos, que los iones de los elementos referidos en su movimiento hacia el cátodo bombardean la mancha catódica [7, 10]. Cuando en el fundente están presentes compuestos de metales alcalinos y alcalinotérreos la longitud del arco se aumenta y se incrementa su estabilidad. La presencia de fluoruros en el fundente juega un papel negativo, lo cuál está también condicionado por el arribo a la atmósfera del arco de sus compuestos en forma de vapores y gases. Por esto la disminución de la concentración, sobre todo la eliminación del fluoruro de calcio de la composición del fundente aumenta bruscamente la estabilidad del arco [25].. 1.5 Minerales para el desarrollo de consumibles de soldadura. Principales características Para la conformación de los materiales para soldar en la literatura especializada, se encuentran una amplia gama de combinaciones de sistemas de óxidos los cuales permiten garantizar el correcto desarrollo del proceso de soldadura por arco eléctrico, no obstante las características químicas y físicas de los minerales reducen estas combinaciones a solo una serie de ellas, esto ocurre porque los minerales con posibilidades de empleo para estos fines tienen una composición química muy compleja y poseen además una estequiometría fija [17]. Los recursos minerales aplicables al desarrollo de consumibles de soldadura pueden ser divididos en tres grupos: 1. Silicatos y alumosilicatos 2. Óxidos e hidróxidos 22.

(31) 3. Carbonatos Varias rocas de minerales cubanos por sus características químicas y mineralógicas pueden ser fuentes potenciales directas para la conformación de los sistemas de óxidos adecuados a los fines metalúrgicos de la soldadura [10]. Tradicionalmente los minerales se emplean para la conformación de las matrices de los fundentes de soldadura y de los revestimientos de los electrodos. Entre estos, los que pueden encontrar mayores aplicaciones son: feldespato, caolinita, talco, cuarzo, pirolusita, calcita, dolomita, fluorita, etc. [10, 12]. Existe un grupo de minerales formados por óxidos metálicos mixtos (complejos) y no metálicos que pueden ser fuentes potenciales para la obtención simultánea de cargas aleantes de fundentes y/o electrodos para la recuperación de piezas y de escorias utilizables en el desarrollo de otros componentes, donde su finalidad debe estar previamente concebida. Para lograr esto se hace necesario la aplicación de un proceso metalúrgico reductivo (no clásico), donde la selección del método depende fundamentalmente de las características de los minerales que conformarán la carga y de los productos a obtener [10, 17] Entre los minerales cubanos que pueden potencialmente emplearse para estos fines, se encuentran las cromitas (aportan Cr y Fe), las pirolusitas (Mn), los psilomelanos (Mn), componentes de las lateritas niquelíferas (Ni, Co, Fe), ilmenitas (Fe, Ti), titano-magnétitas (Fe, Ti), etc. [17]. Entre estos los de mayores perspectivas y potencialidades para la obtención de cargas aleantes de consumibles de soldadura en las condiciones de Cuba, se encuentran las cromitas y las pirolusitas debidas fundamentalmente a su composición química, dado esto por la gran aplicabilidad del cromo y el manganeso en la conformación de sistemas aleantes dentro de los consumibles de soldadura [17]. Debe señalarse que la inmensa mayoría de las cromitas cubanas son de características refractarias, elevadas temperaturas de fusión y relativo bajo contenido de Cr2O3. [17]. 1.5.1 Minerales de cromo. Principales características La cromita es un mineral negro con raya parda oscura y brillo sub-metálico a metálico. Generalmente se encuentra en forma de granos diseminados en las peridotitas y en las serpentinas derivadas de las mismas, a veces es débilmente magnética [19]. 23.

(32) En realidad las cromitas son cromoespinelas las cuales presentan una fórmula global del tipo AB2O4 y constituyen un grupo isotípico íntimamente relacionado con soluciones sólidas entre sus miembros [31]. Estas espinelas pueden encontrarse más frecuentemente como:. . Cromita: FeCr2O4. . Magnocromita: (Mg,Fe)Cr2O4. . Alumocromita: Fe(Cr,Al)2O4. . Cromopicotita: (Mg,Fe)(Cr,Al)2O4. La cromita clásica es un mineral de cromo y hierro (FeCr2O4) (teóricamente está constituida por un 32% de FeO y 68% de Cr2O3) [5, 26], por lo general su composición química es variable presentando algo de magnesio sustituyendo al hierro (Fe) en las posiciones A. 2+. (en las. cavidades tetraédricas), y de cromo (Cr3+) reemplazado por aluminio (Al3+) e hierro (Fe3+) (en las cavidades octaédricas), estas sustituciones son más limitadas, además puede contener en ocasiones algo de ZnO, MnO, y Fe2O3 [19]. Los principales países productores de cromitas son: Rusia, Africa del Sur, Filipinas, Cuba y Rhodesia [19]. Las cromitas pueden ser divididas en dos grandes grupos de aplicación de acuerdo al contenido de cromo [19]:. . Las metalúrgicas (mayor de 40% de Cr2O3). . Las refractarias (menor de 40% de Cr2O3). Las cromitas metalúrgicas son empleadas fundamentalmente como fuente de obtención de ferroaleaciones de cromo y las refractarias en la preparación de diferentes materiales refractarios (ladrillos y mezclas de moldeo). Las menas de cromo para ser empleadas como fuente de obtención de ferrocromo deben cumplir los siguientes requisitos básicos [27]: 1. Contenido de Cr2O3 no menor de 40% 2. Relación de Cr2O3/ FeO no menor de 2.5. 24.

(33) Estos requisitos garantizan teóricamente que el rendimiento en ferrocromo de la mena sea como mínimo de un 39.8% y que el contenido mínimo de cromo en el ferrocromo sea de 68.74%. Además establecen también restricciones en cuanto a producción de escoria, limitando la cantidad máxima de escoria en 60.2% con relación a la mena, obteniéndose una relación FeCr / Escoria de 2:3. En el caso de las cromitas refractarias el valor de esta relación es menor en dependencia de la ley del mineral [31].. 1.5.2 Minerales de Manganeso. Principales características El manganeso es uno de los acompañantes más deseados del hierro (Fe), metal de color blanco argénteo, muy duro y frágil, su densidad es de 7,27 g /cm3 y punto de fusión de 1247 ºC. En la naturaleza se puede encontrar subdividido en tres variantes [27]:. . Menas oxidadas (productos de oxidación de los carbonatos y los silicatos). . Carbonatos (rodocrosita MnCO3). . Silicatos (rodonita MnSiO3). Óxidos representados por los minerales:. . braunita (Mn2O3). . hausmanita (Mn3O4). . manganita (Mn2O3 * H2O). . silomelano (m MnO2 * MnO + H2O). . pirolusita (MnO2).. Es deseable siempre que el mineral posea mucho manganeso y poco fósforo, ya que para obtener las ferroaleaciones, la cantidad de fósforo (P) no debe de exceder del 0,2 %. Los países donde existen yacimientos importantes de manganeso son: India, Brasil y Sudáfrica [10]. En Cuba se encuentran reservas de minerales de manganeso en Santiago de Cuba y en varias zonas de las provincias Pinar del Río, Camagüey y Granma, los que son fundamentalmente del tipo pirolusitas [10]. La pirolusita es un mineral con color negro, brillo metálico y semimetálico. Es tetragonal, se presenta en masas cristalinas o criptocristalinas, macizo, granular, en masas reniformes y 25.

(34) dendríticas. Tiene una dureza relativamente baja de 1-2 y un contenido de Mn de 55 - 63,2 %. La misma se forma en la corteza de meteorización debido a diferentes minerales y menas que contienen magnesio. Es sedimentaria en asociación con manganita, psilomelano, rodocrosita. Esta muy propagada en la superficie terrestre como óxido natural de manganeso. Se utiliza en la producción de baterías eléctricas secas, industria del vidrio para eliminar el color verde, así como en la fabricación de preparados químicos en medicina y otros fines [10, 17].. 1.6 Influencia de elementos de aleación Los elementos de aleación específicos y sus cantidades determinan el tipo de acero, de aleación y sus propiedades particulares. Muchos elementos le brindan diferentes propiedades que pueden ser tecnológicas o mecánicas, algunos de estos elementos son: Aluminio (Al): Empleado en pequeñas cantidades, actúa como un desoxidante para el acero fundido y produce un acero de grano fino [10]. Cromo (Cr): Aumenta la profundidad del endurecimiento y mejora la resistencia al desgaste y corrosión entre otras [10, 28]. Manganeso (Mn): Elemento básico en todos los aceros comerciales. Actúa como un desoxidante y también neutraliza los efectos nocivos del azufre, facilitando la laminación, moldeo y otras operaciones de trabajo en caliente. Aumenta también la penetración de temple y contribuye a su resistencia y dureza [17]. Molibdeno (Mo): Mediante el aumento de la penetración de temple, mejora las propiedades del tratamiento térmico. Aumenta también la dureza y resistencia a altas temperaturas [28]. Vanadio (V): Imparte dureza y ayuda en la formación de granos de tamaño fino. Aumenta la resistencia a los impactos (resistencia a las fracturas por impacto) y también la resistencia a la fatiga [21]. Estos elementos pueden adicionarse a la carga aleante de los consumibles de soldadura como polvos, tanto puros como en forma de ferroaleaciones, siendo esta última la de mayor empleo. Todos estos elementos de aleación en general le proporcionan al acero y al cordón de soldadura [21]: 1. Mayor resistencia y dureza 2. Mayor resistencia a los impactos 26.

(35) 3. Aumento de la resistencia al desgaste 4. Aumento de la resistencia a la corrosión. 1.7 Ferroaleaciones La fabricación de ferroaleaciones dirige su atención al empleo de minerales o concentrados de alta ley con el propósito de aumentar los volúmenes de metal obtenidos, procesando una menor cantidad de mineral, lo que permite reducir los consumos de energía y disminuir los volúmenes de escoria mejorando considerablemente los indicadores del proceso de obtención, aunque esto no siempre es posible ya que está en dependencia de las características de las materias primas [21]. En la conformación de las cargas aleantes de los materiales para la soldadura por arco eléctrico (electrodos y fundentes), se usan frecuentemente ferroaleaciones, siendo usadas en forma de polvos, ellas garantizan fundamentalmente las propiedades mecánicas de los depósitos de soldadura [19]. Entre las ferroaleaciones de mayor empleo en la conformación de cargas aleantes de los consumibles de soldadura se encuentra el FeCr y el FeMn. El ferrocromo cumple fundamentalmente el papel de elemento aleante, en el caso del ferromanganeso cumple ambas funciones, por tanto a la hora de formular un material para soldar generalmente las cargas aleantes están formadas por estas dos ferroaleaciones [26].. 1.7.1 Ferrocromo. Características El ferrocromo es una aleación de cromo y hierro con adiciones de carbono, silicio y otros elementos [10]. Se clasifica por su contenido de carbono, cuanto menor sea este, tanto mayor será el costo de la aleación y más complicado el procedimiento de elaboración [29]. Las clasificaciones más empleadas son, alto, medio, bajo y extrabajo en carbono nitrogenado [24]. El ferrocromo empleado en la elaboración de la carga aleante de los materiales para soldar requiere de determinadas características, como relativos contenidos de carbono, esto hace que para la fabricación de estos materiales sea necesaria la adición de determinadas cantidades de carbón para facilitar la formación de carburos de cromo, los encargados de brindar propiedades mecánicas (dureza, resistencia al desgaste, a la abrasión etc.) a los depósitos realizados [2]. Además estos materiales son formulados empleando granulometrías inferiores a los 0,25 mm, 27.

(36) por lo que contar con ferrocromos frágiles sería de gran ventaja. ya que se reduciría. considerablemente el consumo energético necesario para su trituración. Entre los materiales para soldar destinados fundamentalmente al recargue que emplean ferrocromo en su carga aleante, juegan un papel importante los fundentes [10, 24]. La factibilidad de formación de carburos de cromo tiene gran importancia para este trabajo ya que será empleado como elemento aleante en el desarrollo de materiales para soldar, por lo que es imprescindible las propiedades físico mecánicas que estos le puedan conferir a los depósitos [10].. 1.7.2 Ferromanganeso. Características Existen varias aleaciones de manganeso que se diferencian por su composición, modos de obtención y sus aplicaciones. Para todas es común la capacidad desoxidante y aleante, aunque en dependencia de lo que se persigue se utiliza una u otra. Se pueden diferenciar tres grandes grupos de aleaciones [30]: 1. El FeMn 2. El Mn metálico. 3. El SiMn. Dentro de las aleaciones de FeMn, hay diferentes grados que responden a diferentes posibilidades de aplicación y también a modos de obtención. Los grados Mn0, Mn1, Mn2, Mn3 y Mn4 son obtenidos en hornos eléctricos y los Mn5 y Mn6 en altos hornos [30]. Generalmente las aleaciones son comercializadas en fracciones grandes pues ello responde a los usos más frecuentes (la producción de acero). No obstante para la fabricación de materiales para soldar se prefieren en polvo, requiriendo del uso de la reducción, molidas a granulometrías de valores entre 0.1-0.25 con los consecuentes consumos de energía [30].. 28.

(37) CAPÍTULO II MATERIALES Y MÉTODOS. 2.1 Materias primas para la elaboración del fundente 2.1.1 Selección de las materias primas Para la selección de las materias primas en la elaboración de los fundentes, se tuvo en cuenta la utilización de minerales de procedencia nacional y/o productos residuales de las industrias. Como carga aleante se utilizó una ferroaleación al manganeso cromo (FeCrMn) obtenida en el CIS y grafito (C) y como matriz se empleó fundente comercial AH-348.. 2.1.2 Obtención de la ferroaleación de manganeso cromo La ferroaleación (FeCrMn) se obtuvo en el CIS por método aluminotérmico usando como materias primas [10, 17]:  Pirolusita: Mineral de manganeso, procedente del Yacimiento Margarita de Cambute en Santiago de Cuba.  Aluminio metálico: Se utilizaron las virutas de aluminio procedentes de las operaciones de maquinado de cafetera en la Empresa INPUD de Santa Clara.  Cromita refractaria: Mineral de cromo de baja ley, empleado en la fabricación de mezclas de moldeo, procedente del Yacimiento Cayo Guam, en la Provincia de Holguín. 2.1.3 Procesamiento aluminotérmico Básicamente termita es el nombre genérico dado a las reacciones entre los óxidos metálicos y los agentes reductores. Como agente reductor puede utilizarse el aluminio, el magnesio, el calcio y el silicio. Cuando el agente reductor es el aluminio este proceso recibe el nombre de aluminotermia [17]. El agente reductor más empleado ha sido el aluminio debido a que resulta relativamente más fácil su manejo en condiciones atmosféricas ya que se cubre de una capa protectora de óxido de aluminio. También se han utilizado mezclas de silicio y aluminio como elementos reductores, pero la utilización exclusiva de silicio precisa el aporte externo de calor, ya que por sí mismo es difícil que la reacción progrese [17].. 29.

(38) Otro aspecto importante que se debe señalar es que este proceso resulta relativamente fácil de escalar, debido a que no requiere equipamiento de alta complejidad y no necesita fuente de energía adicional para su desarrollo, pues el proceso se lleva a cabo a partir del calor generado por las reacciones químicas entre el aluminio y los óxidos metálicos. Después de iniciada la reacción aluminotérmica el proceso transcurre hasta el final, no pudiéndose realizar un control sobre la misma lo que constituye una desventaja.. 2.1.4 Preparación de las materias primas para la obtención de la ferroaleación La pirolusita es adquirida con una granulometría entre 3 y 12 mm, por lo que fue triturada hasta obtener un tamaño de grano por debajo de 2.5 mm. Las virutas de aluminio son tamizadas a granulometrías por debajo de 3.5 mm. La cromita es tamizada a una granulometría de 0.5 mm. En la tabla 2.1 se presentan la composición química de las materias primas usadas en el procesamiento aluminotérmico y en la tabla 2.2 las cantidades de cada componente para 4 kg de mezcla [17]. Tabla 2.1: Composición química de las materias primas utilizadas (% masa) Viruta de aluminio. Cromita. Pirolusita. Comp.. Cont. %. Comp.. Cont. %. Comp.. Cont. %. Si. 3.5-4.0. Cr2O3. 32.87. Al2O3. 1.54. Fe. 0.5-0.6. SiO2. 5.79. CaO. 1.35. Mn. 0.3-0.35. Al2O3. 26.06. Fe2O3. 1.51. Cu. 0.5-0.8. Fe2O3. 16.16. MgO. 0.30. Mg. 0.3-0.5. CaO. 0.42. MnO. 0.14. Zn. 0.5-0.6. MgO. 16.00. MnO2. 76.14. Al. Balance. -. -. K2O. 0.24. -. -. -. -. P2O5. 0.020. -. -. -. -. Na2O. 0.47. -. -. -. -. SiO2. 5.60. -. -. -. -. Humedad. 2.08. 30.

(39) Tabla 2.2: Composición de la mezcla de para la obtención de 4 kg de FeCrMn Materia Prima Cantidad (g) Aluminio. 1000. Cromita. 960. Pirolusita. 2040. El procesamiento aluminotérmico se desarrolló en un reactor de grafito (Figura. 2.1) que permite obtener hasta 6 kg de producto, de fondo cónico y un orificio en el fondo para facilitar la extracción de los productos el cual permanece tapado con grafito, durante el procesamiento aluminotérmico para evitar derrame de material fundido.. Figura 2.1: Reactor de grafito para el procesamiento aluminotérmico [10] La carga formulada, es mezclada durante 30 minutos, en un mezclador rotatorio y posteriormente calentada a 300°C, durante una hora, siendo alimentada al reactor aún caliente e inmediatamente es iniciada la reacción mediante un chispazo de arco eléctrico (Figura 2.2). La alimentación al horno (reactor), con la mezcla metalúrgica, se efectúa de forma continua en la medida en que transcurre la reacción química, una vez procesada toda la carga, se deja en reposo hasta su enfriamiento, mantener la velocidad de la reacción es un aspecto importante en el desarrollo del proceso. 31.

(40) Figura 2.2: Encendido de la mezcla [10]. 2.1.5 Extracción y separación de los productos La extracción de los productos del reactor se realiza cuando la mezcla se ha enfriado totalmente, lo cual generalmente se efectúa al día siguiente de realizado el procesamiento aluminotérmico, esta operación se facilita ya que las escorias tienen menor densidad que el metal y quedan ubicadas sobre el mismo (Figura 2.3), por otro lado el orificio que presenta el reactor en el fondo facilita la operación de extracción.. Figura 2.3: Ferroaleación (FeCrMn) y escorias obtenidos en el procesamiento aluminotérmico de los minerales 32.

(41) 2.2 Obtención de los fundentes aglomerados aleados 2.2.1 Diseño de experimento Con el objetivo de obtener la composición más adecuada para el fundente aglomerado aleado se utilizó un diseño de experimento en una región restringida. Este procedimiento fue propuesto por los investigadores R. A. McLean y V. L. Anderson, el cual se expone a continuación [12]: En primer lugar, se buscan todas las posibles combinaciones para los niveles L y M en la q – 1 componentes. El número total de combinaciones es q2q-1, así para tres componentes el número total de combinaciones es 12, donde X1, X2, y X3 son ferroaleación, grafito y matriz respectivamente (variables de entrada). Las variables de salida son Y1, Y2 y Y3 (dureza, contenido de carbono y contenido de cromo respectivamente). En segundo lugar, se seleccionan las combinaciones encontradas cuya suma sea igual a la unidad y además se encuentren dentro de las restricciones impuestas inicialmente. De este modo se encuentran m puntos que son los vértices de una figura geométrica en el espacio y se determina el punto del centro del mismo [12]. Las coordenadas de estos puntos definen las composiciones de las mezclas a ensayar. El diseño desarrollado por McLean y Anderson no es saturado, por lo que se puede estimar los parámetros del modelo matemático y hacer la dócima de adecuación F del mismo. Este modelo generalmente es un polinomio de segundo grado debido al rápido crecimiento de los puntos experimentales cuando se incrementan los componentes de la mezcla [12]. En la tabla 2.3 se presentan las variables de entrada y de salida y en la tabla 2.4 la matriz completa del diseño de experimentos.. Tabla 2.3: Variables de entrada y salida Variables de entrada Variables. Rango de variación. Variables de salida Variables. X1 – Ferroaleación (FeCrMn). 0,05 - 0,20. Y1 – Dureza (HV). X2 – Grafito (C). 0,01 - 0,05. Y2 – Grafito (%). X3 – Matriz (fundente AN348). 0,7 - 0,9. Y3 – Cr (%). 33.

(42) Tabla 2.4: Matriz experimental completa No. exp.. X1. X2. X3. X1. X2. X3. 1. -. -. ?. 0.05. 0.01. 0.94. No. 2. -. ?. -. 0.05. 0.25. 0.7. No. 3. ?. -. -. 0.29. 0.01. 0.7. No. 4. +. -. ?. 0.20. 0.01. 0.79. Si. 5. +. ?. -. 0.20. 0.1. 0.7. No. 6. -. +. ?. 0.05. 0.05. 0.99. No. 7. ?. +. -. 0.25. 0.05. 0.7. No. 8. ?. -. +. 0.09. 0.01. 0.9. Si. 9. -. ?. +. 0.05. 0.05. 0.9. Si. 10. +. +. ?. 0.20. 0.05. 0.75. Si. 11. +. ?. +. 0.20. 0.1. 0.9. No. 12. ?. +. +. 0.05. 0.05. 0.9. Si (se repite). Las variantes a experimentar se obtienen al eliminar los puntos fuera de rango, los que se repiten y los que no cumplen con la condición de normalidad, a partir de las cuales se determina el centroide. La conformación de los puntos a ensayar se muestra en la tabla 2.5. Tabla 2.5: Conformación de las diferentes mezclas para la obtención de los fundentes No. exp.. X1. X2. X3. X1. X2. X3. X1(g). X2(g). X3(g). 1 (4). +. -. ?. 0.20. 0.01. 0.79. 200. 10. 790. 2 (8). ?. -. +. 0.09. 0.01. 0.9. 90. 10. 900. 3 (9). -. ?. +. 0.05. 0.05. 0.9. 50. 50. 900. 4 (10). +. +. ?. 0.20. 0.05. 0.75. 200. 50. 750. 0.135. 0.026. 0.835. 135. 26. 835. Centroide (C1). 2.2.2 Preparación de las mezclas aglutinadas como fundentes Cada uno de los componentes que forman parte de los fundentes fueron triturados y tamizados, donde la matriz integrada por el fundente fundido AN-348, se preparó a una granulometría ≤ 0,5 mm, la ferroaleación (FeCrMn) y el grafito, componentes de la carga aleante, fueron preparados a una granulometría ≤ 0,25 mm y ≤ 0,075 mm respectivamente.. 34.