Electrodo tubular revestido base Fe Si V C para el relleno superficial de piezas sometidas al desgaste abrasivo

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Mecánica Centro de Investigaciones de Soldadura. TRABAJO DE DIPLOMA Título: Electrodo tubular revestido base Fe-Si-V-C para el relleno superficial de piezas sometidas al desgaste abrasivo. Autor: Dayra O´Reilly Rojas Tutores: Dr. Manuel Rodríguez Pérez Dr. Lorenzo Perdomo González Cotutor: Ing. José R. Arañó Rodríguez 2015 Santa Clara "Año 57 de la Revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Mecánica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Tutor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(3) i. PENSAMIENTO. Nuestra recompensa se encuentra en el esfuerzo y no en el resultado. Un esfuerzo total es una victoria completa. Mahatma Gandhi.

(4) ii. DEDICATORIA. “Para la persona que me enseñó a ser quien soy, que ha hecho todo en la vida para que yo pudiera lograr mis sueños, por motivarme y darme la mano cuando sentía que el camino se terminaba. Ahora me toca regresar un poquito de todo lo inmenso que me has otorgado. Es para ti esta tesis en agradecimiento por todo tu amor. Gracias mami”..

(5) iii. AGRADECIMIENTOS. A mis padres, cuyo apoyo fue decisivo para recorrer el largo camino que exige una carrera universitaria. A Rafe, a quien quiero como un padre porque ha sido mi apoyo para lograr mis sueños. A Manuel Rodríguez Pérez, mi tutor, por confiar en mí, y por darme las fuerzas y la sabiduría que necesitaba para seguir adelante. A mi cotutor el Ing. José R. Arañó Rodríguez por brindarme la información necesaria para la elaboración de este trabajo. Al Dr. Lorenzo Perdomo González por brindarme la atención que necesitaba. A mi abuela por brindarme incondicionalmente su tiempo y sabiduría. A mi hermanita por quererme y traer felicidad a mi vida. A mi familia por recordarme siempre lo importante que es luchar por un futuro. A mis amigos (Mayara, Mary, Dannita, Yanet, Liudmi, Lili, Jose, Milo, Mailen, Marien, Rosmery y Daylet) porque siempre me han brindado su apoyo sincero. A todos los profesores por el apoyo, orientación y experiencia que me brindaron a lo largo de la carrera. A mis compañeros de estudio. A todas aquellas personas que de una forma u otra contribuyeron a mi formación como profesional. A todos gracias por confiar, creer en mí y haber hecho de mi etapa universitaria un trayecto de vivencia inolvidable..

(6) iv. RESUMEN. En el trabajo se fabrica un electrodo tubular utilizando un sistema aleante base: Fe-Si-V-C y un revestimiento compuesto fundamentalmente por carbonato de calcio y fluorita. Inicialmente se presenta un análisis de los aspectos principales relacionados con el desgaste, básicamente el del tipo abrasivo. Experimentalmente se evalúa para el consumible fabricado, la estructura del metal depositado y la resistencia al desgaste abrasivo, de acuerdo al procedimiento establecido por la norma ASTM G65 del metal depositado..

(7) v. SUMMARY. At work a tubular electrode is manufactured using a system based alloying Fe-Si-V-C and composed mainly of calcium carbonate and coating fluorite. Initially an analysis of the main aspects related to wear basically the abrasive type occurs. Evaluated experimentally manufactured to the consumable, the structure of the deposited metal and abrasive wear resistance, according to the procedure established by the ASTM G65 standard metal deposited..

(8) vi. TABLA DE CONTENIDOS PENSAMIENTO .....................................................................................................................i DEDICATORIA .................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii RESUMEN ............................................................................................................................iv SUMMARY ............................................................................................................................ v INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 CAPÍTULO 1.. MARCO TEÓRICO .................................................................................. 5. 1.1 Aspectos generales sobre el desgaste ................................................................................ 5 1.2 Aspectos fundamentales del desgaste abrasivo ................................................................. 6 1.2.1 Abrasión a alta tensión ........................................................................................... 7 1.2.2 Abrasión a baja tensión .......................................................................................... 8 1.4 Evaluación del desgaste abrasivo .................................................................................... 13 1.5 Ensayos empleados para evaluar la resistencia al desgaste abrasivo .............................. 14 1.5.1 Ensayos de abrasión con alta tensión ................................................................... 14 1.5.2 Ensayos de abrasión a baja tensión ...................................................................... 15 1.6 Aspectos generales sobre las características de las aleaciones empleadas en el relleno superficial de piezas sometidas al desgaste abrasivo ............................................................ 16 1.7 Utilización del Vanadio (V) como elemento de aleación ............................................... 20 1.8 Electrodos tubulares revestidos ...................................................................................... 22 CAPÍTULO 2.. FABRICACIÓN DE LOS ELECTRODOS Y REALIZACIÓN DE LOS. ENSAYOS…………………………………………………………………………………25.

(9) vii 2.1 Introducción .................................................................................................................... 25 2.1.1 Ferroaleación utilizada en la carga aleante y en el revestimiento ....................... 25 2.1.2 Revestimiento utilizado en la fabricación del electrodo ..................................... 26 2.2 Fabricación de los alambres tubulares ............................................................................ 27 2.3 Metalografía y ensayo de desgaste ................................................................................. 32 2.4 Ensayo de desgaste ......................................................................................................... 34 CAPÍTULO 3.. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS ........................... 39. 3.1 Estudio del metal aportado por los electrodos ................................................................ 39 3.2 Comportamiento de la resistencia al desgaste del metal depositado .............................. 42 CONCLUSIONES ................................................................................................................ 46 RECOMENDACIONES ....................................................................................................... 47 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................... 478 ANEXOS .............................................................................................................................. 52.

(10) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN Los métodos de fabricación y reacondicionamiento de piezas, de conjunto con el uso de los procesos de recargue, constituyen una vía importante para reducir los daños ocasionados por el desgaste, logrando estructuras metalográficas de alta resistencia. En este sentido, una tecnología de soldadura adecuada así como el uso de un consumible adecuado, permite en la actualidad prolongar la durabilidad de las máquinas por encima de las pronosticadas en el diseño, y mediante éste, las piezas desgastadas pueden restaurarse y ser utilizadas de nuevo. Sin embargo, cada material y/o electrodo tiene diversas características y para obtener consumibles para incrementar la resistencia al desgaste destinado el relleno superficial, es necesario realizar determinadas pruebas que forman parte de su evaluación [1]. El procedimiento de soldadura con alambres tubulares continuos con fundente incluido (Flux Cored Arc Welding, FCAW) se conoce desde los años 50 y en los últimos años su uso se ha extendido de forma gradual acompañado del desarrollo de la automatización en los procesos de soldadura. Dentro de este procedimiento la variante de soldadura autoprotegida se ha desarrollado satisfactoriamente debido a la simplicidad y flexibilidad del método lo cual ha convertido a esta en una opción muy popular. A ello contribuye de forma determinante el hecho de que el equipamiento utilizado en la soldadura con protección gaseosa se pueda utilizar para este tipo de proceso sin la necesidad de modificaciones. En particular los alambres tubulares revestidos presentan diversas ventajas dentro de las que se encuentran, la baja generación de humos, poca formación de escorias y la posibilidad de adicionar en la carga diversos componentes como por ejemplo; ferroaleaciones o minerales, con el fin de obtener una determinada estructura en el depósito en dependencia de las exigencias del metal depositado. Estas características de los electrodos tubulares, hacen que sea posible evaluar diferentes componentes en el sistema de aleación, con el fin de obtener estructuras en el cordón de soldadura que brinden a los depósitos mejores propiedades de resistencia mecánica y por.

(11) INTRODUCCIÓN. 2. tanto ofrecer una posibilidad de utilización en el campo de la soldadura convencional, así como, en el relleno superficial. En las últimas décadas, el precio de los elementos de aleación (Mn, Ni, Mo, V) comúnmente utilizados en la elaboración de electrodos revestidos para recubrimiento resistente al desgaste abrasivo ha experimentado continuas fluctuaciones y, globalmente, un aumento creciente, por lo que es un reto encontrar nuevos sistemas de aleación más competitivos que permitan mantener o, si es posible, mejorar la estructura, desde el punto de vista del tamaño y distribución de los microconstituyentes, así como, la dureza con un menor costo. Para contrarrestar el desgaste abrasivo, generalmente se utiliza con frecuencia el sistema aleante Fe-Cr-C, con adiciones de Mn, Ni, Mo, V y otros elementos. El silicio no es empleado comúnmente en los sistemas de aleación destinados a combatir el desgaste de acuerdo a lo reportado en la literatura [2], a pesar de que es uno de los elementos más abundantes en la naturaleza. No obstante, en el presente trabajo, se ha fabricado un tipo de electrodo tubular revestido utilizando el sistema aleante: Fe-Si-V-C. La presencia del Si se debe a que la ferroaleación obtenida para el aporte del V, se logra a partir del aprovechamiento de un residual con alto contenido de sílice. Este elevado contenido de sílice en el residual aporta a la ferroaleación un contenido apreciable de Si de acuerdo a los resultados del trabajo [3]. Problema práctico: Obtener nuevos consumibles para incrementar la resistencia al desgaste destinados al relleno superficial. Como hipótesis de la investigación se plantea: Los electrodos tubulares revestidos fabricados con el sistema aleante: Fe-Si-V-C, pueden tener perspectivas de empleo en el relleno superficial de piezas sometidas al desgaste abrasivo..

(12) INTRODUCCIÓN. 3. Objetivo general: Evaluar la estructura y resistencia al desgaste abrasivo en correspondencia a lo establecido por la norma ASTM G65, del metal depositado por un electrodo tubular revestido fabricado con el sistema aleante Fe-Si-V-C. Objetivos específicos: 1. Lograr las exigencias de las ferroaleaciones y minerales, desde el punto de vista de la granulometría para la fabricación del consumible. 2. Obtener el alambre tubular (núcleo) con el grado de compactación necesario para garantizar el coeficiente de llenado que permita la hermeticidad del consumible. 3. Obtener un electrodo tubular revestido, cuyo revestimiento garantice un depósito con la sanidad adecuada para evaluar la estructura y la resistencia al desgaste. 4. Determinar el tipo de estructura de los depósitos obtenida con los electrodos fabricados. 5. Evaluar la resistencia al desgaste abrasivo del metal aportado con los electrodos según lo establecido por la norma ASTM G65. Tareas: 1. Seleccionar los minerales y ferroaleaciones a utilizar en la fabricación del electrodo, tanto en la carga aleante como en el revestimiento. 2. Trituración y tamizado de los minerales y ferroaleaciones a emplear en el revestimiento. 3. Mezclado de los componentes a emplear en la carga y el revestimiento. 4. Fabricación de los alambres tubulares (núcleo). 5. Fabricación de los electrodos (adición del revestimiento). 6. Realizar depósitos para evaluar el comportamiento tecnológico y evaluar posteriormente la estructura del metal aportado y la resistencia al desgaste. 7. Estudiar el tipo de estructura obtenida en el metal depositado con los consumibles fabricados..

(13) INTRODUCCIÓN. 4. 8. Realizar los ensayos de resistencia al desgaste con los parámetros establecidos por la norma ASTM G65. Como fue explicado anteriormente, para la fabricación del consumible objeto de estudio, se utilizó una aleación base Fe-Si-V-C [3], obtenida mediante el proceso de aluminotermia, utilizando como materias primas cascarilla de laminación y residual catalítico de vanadio procedente de la obtención del ácido sulfúrico..

(14) CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO. CAPÍTULO 1.. 5. MARCO TEÓRICO. 1.1 Aspectos generales sobre el desgaste El desgaste está dado a causa del desprendimiento del material por la separación física debido a la microfractura, por disolución química o por fusión de la interface de contacto. El tipo de desgaste dominante, puede cambiar de uno a otro por razones que incluye los cambios en las propiedades en la superficie del material y las respuestas dinámicas de la superficie causadas por calentamiento friccional, la formación de películas químicas y el desgaste. Los mecanismos de desgaste son establecidos, considerando los cambios complejos durante la fricción. El desgaste no tiene lugar a través de un solo mecanismo de desgaste, no obstante, entender cada mecanismo de desgaste en cada tipo de deterioro es fundamental. De acuerdo a la bibliografía consultada [4, 5], el desgaste se clasifica en cuatro modos fundamentales. a) Desgaste adhesivo: Se le conoce además como desgaste por fricción o deslizante, se produce debido a la adhesión molecular entre los cuerpos en contacto. b) Desgaste abrasivo: Es el desgaste mecánico como resultado de la acción de corte o rayado de asperezas de alta dureza o de partículas abrasivas. c) Desgaste por fatiga: Es debido a causas mecánicas producto de tensiones variables y repetidas. d) Desgaste mecánico-corrosivo: Es el desgaste mecánico acelerado por la acción corrosiva del medio. Estos modos son ilustrados en la Figura 1.1..

(15) CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO. 6. Figura 1.1. Clasificación del desgaste [6]. 1.2 Aspectos fundamentales del desgaste abrasivo El desgaste abrasivo se entiende como la modificación de las capas superficiales de los cuerpos sólidos producto de la acción de asperezas o partículas libres de alta dureza al deslizarse sobre otra superficie de menor resistencia mecánica. Es un fenómeno que se presenta en la mayoría de los procesos productivos. Los metales sufren los efectos de las partículas abrasivas que provocan pérdidas sensibles en los mismos. La acción de esta partícula es tanto más intensa, como intensa sea la productividad del proceso y por ello está también en función de la forma, tamaño y tipo de partícula así como la estructura del material [7, 8]. De todos los tipos de desgaste, el desgaste abrasivo es el que ocurre en más del 50 % de los casos, siendo considerado como el más severo y el más comúnmente encontrado en la industria. De acuerdo con el tipo de contacto, el desgaste abrasivo puede ser entre dos cuerpos y tres cuerpos (Figura 1.2). El de dos cuerpos es cuando un abrasivo se desliza a lo largo de una superficie sin que se triture, por ejemplo en el mezclado de minerales. El de tres cuerpos es cuando un abrasivo es aprisionado entre dos superficies, por ejemplo en la trituración de minerales. Es propio del desgaste de uniones de rozamiento en las cuales ha penetrado partículas abrasivas procedentes del medio o cuando las partículas de desgaste no tienen.

(16) CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO. 7. posibilidad de salir de la unión. Se conoce también como abrasión de alta presión. El desgaste de dos cuerpos es entre 10 y 1000 veces superior al de tres cuerpos para iguales condiciones de carga, recorrido y tipo de abrasivo [8].. Figura 1.2. Representación esquemática de desgaste abrasivo. (a) - Entre dos cuerpos, (b) - Entre tres cuerpos [6]. Hay varios tipos de desgaste por abrasión descritos en la literatura [9], entre ellos:  Abrasión con impactos.  Abrasión a alta tensión (desbaste).  Abrasión a baja tensión (rayado). 1.2.1. Abrasión a alta tensión. El desgaste que ocurre entre partículas abrasivas y el metal, ocasionando la destrucción o no del abrasivo es denominado abrasión a alta tensión (Figura 1.3). La interacción de la partícula contra el metal puede ser ejercido por presiones fuertes o medias, provocando que surjan pequeños fragmentos. Las partículas abrasivas pueden ser de dimensiones medias o pequeñas. El desbaste provocado por partículas medias, ejerce su acción abrasiva superficial, arrancando fragmentos del metal, mientras las partículas pequeñas provocan el desgaste superficial por el desplazamiento de pequeños fragmentos de metal [6, 10, 11]. Este tipo de desgaste puede estar presente en excavadoras, cuchillas niveladoras, arados, raspadores, cilindros de laminadores y rodillos de arrastre de líneas de laminación..

(17) CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO. 8. Figura 1.3. Representación esquemática de abrasión a alta tensión [11]. El factor determinante para obtener buena resistencia al desgaste abrasivo por alta tensión, es que los componentes tengan presente una microestructura de partículas duras (carburos) dentro de una matriz dúctil. La partícula dura resistirá la acción de la abrasión a alta presión, protegiendo la matriz del desgaste. Son determinantes, además, el tipo, forma, tamaño y distribución de los carburos [11]. 1.2.2 Abrasión a baja tensión La abrasión a baja tensión surge del deslizamiento de partículas libres sobre la superficie de la pieza (Figura 1.4). Las tensiones que se encuentran involucradas son generalmente bajas, no excediendo la resistencia de trituración del abrasivo. El material es removido de la superficie a bajos ángulos de ataque por microcorte. De esta forma, los abrasivos con aristas agudas producen desgastes más severos y la dureza de la superficie es determinante para minimizar la penetración y reducir la intensidad del desgaste. En la mayoría de los casos, la abrasión a baja tensión ocurre en la superficie de los componentes de equipamientos que, directa o indirectamente, están en contacto con tierras, arenas, minerales o carbón, tales como; máquinas agrícolas, equipamiento de excavación, transporte, procesamiento de minerales, así como, equipamientos de la industria del papel, entre otras [12]..

(18) CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO. 9. También durante la abrasión a baja tensión, la microestructura con la presencia de partículas duras (carburos) favorece la resistencia al desgaste, aunque no existe una total correspondencia con la dureza.. Figura 1.4. Representación esquemática de abrasión a baja tensión [11]. 1.2.3 Abrasión con impactos La abrasión con impactos, es el desgaste que ocurre cuando partículas abrasivas gruesas y de grandes dimensiones, principalmente dotadas de regiones puntiagudas cortantes con dureza mayor que de la parte metálica que está siendo desgastada, son impactadas con presiones más o menos violentas y repetitivas contra el componente, causando el corte de la superficie desgastada por el abrasivo, produciendo grandes surcos y ralladuras visibles a la observación visual [6, 10]. Este tipo de abrasión es observado en esteras transportadoras de mineral cuando hay transferencia de mineral por caída (Figura 1.5) o en dientes de excavadoras que trabajan donde hay arena, rocas o arcilla..

(19) CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO. 10. Figura 1.5. Representación esquemática de desgaste abrasivo con impactos [13]. 1.3 Mecanismos del desgaste abrasivo El mecanismo básico del desgaste por abrasión fue propuesto por Khrushchov y Babichev [13]. Según los cuales, existen dos procesos actuando cuando el abrasivo entra en contacto con la superficie:  El primero sería la formación de un surco debido a la deformación plástica, por tanto sin remoción de material de la superficie en forma de pequeñas virutas.  El segundo el material es removido por virutas y el restante por deformación plástica (cizallamiento). Los. mecanismos. de. desgaste. pueden. ser. dúctiles. (microcorte). o. frágiles. (microagrietamiento). El surcamiento (Figura 1.6) resulta de la acción de partículas abrasivas deformando plásticamente la superficie de un material (o fase dúctil), formando un surco en su trayecto. El material acumulado al frente de la partícula fluye para los bordes laterales del surco y no hay pérdida de masa durante esa formación de surco. No obstante, la interacción de diversas partículas con la superficie provoca un resultado global de remoción de material..

(20) CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO. 11. Figura 1.6. Esquema ilustrativo de mecanismo de desgaste abrasivo por surcamiento [6]. El microcorte (Figuras 1.6 y 1.7) consiste en la formación de pequeñas virutas, cuando las tensiones de cizallamiento impuestas por el desplazamiento de la partícula abrasiva son suficientemente elevadas para la ruptura del material dúctil.. Figura 1.7. Esquema ilustrativo de mecanismo de desgaste abrasivo por microcorte [6]. El microagrietamiento (Figura 1.8), es un proceso de fragmentación de la superficie frágil por la formación y crecimiento de grietas, debido a la acción de las partículas abrasivas.. Figura 1.8. Esquema ilustrativo de mecanismo de desgaste abrasivo por microagrietamiento o lascamiento [6]..

(21) CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO. 12. El fenómeno interfacial envuelto es complejo y los diferentes mecanismos pueden actuar de forma combinada.. Figura 1.9. Representación esquemática del desgaste abrasivo de aleaciones del sistema aleante Fe-Cr-C [6]. En la Figura 1.9, se muestra una representación esquemática del proceso de desgaste abrasivo en fundiciones blancas aleadas, ricas en Cr (aleaciones del sistema aleante Fe-CrC). Las partículas abrasivas impactan la superficie del revestimiento, actuando preferencialmente sobre la matriz metálica debido a su poder abrasivo, provocando desgaste de la misma. La matriz desgastada deja sin protección los carburos primarios de Cr, lo cual reduce la resistencia a las tensiones externas de impacto de las partículas abrasivas, resultando en el agrietamiento de los carburos, fracturándolos y eliminándolos del revestimiento. El proceso es repetitivo y provoca el desgaste acelerado del revestimiento..

(22) CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO. 1.4. 13. Evaluación del desgaste abrasivo. Existe una gran dificultad para comparar resultados de desgaste obtenidos por diferentes investigadores debido a la variación de los métodos de ensayo y al bajo control de ciertos aspectos del ensayo. La complejidad del fenómeno del desgaste abrasivo no ha permitido el desarrollo de un ensayo universal y frecuentemente los ensayos son realizados para reflejar las condiciones particulares que una determinada aleación encontrará en servicio. Para simular las tres formas de desgaste abrasivo (arranque, alta tensión y baja tensión) fueron desarrollados tres equipamientos diferentes de acuerdo a la literatura [9, 14], como se aborda a continuación. 1.4.1 Ensayos de abrasión e impacto Es la forma de desgaste más difícil de ensayar debido a las variables involucradas, por esa razón existen más máquinas de ensayo que para las otras dos formas de desgaste. El equipamiento más utilizado para la simulación de este tipo de desgaste es el triturador de mandíbula (Figura 1.10). Una mandíbula es usada como patrón y la otra es evaluada en cuanto al desgaste en comparación al patrón [9].. Figura 1.10. Representación esquemática de un triturador de mandíbulas para ensayo de desgaste abrasivo e impacto [9]..

(23) CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO. 14. 1.5 Ensayos empleados para evaluar la resistencia al desgaste abrasivo 1.5.1 Ensayos de abrasión con alta tensión El ensayo de pin sobre disco, es el más usado para ensayos de abrasión a alta tensión. Un pin de la aleación a ser ensayada es friccionado contra una rueda abrasiva (Figura 1.11). Abrasivos libres pueden ser adicionados al sistema (o pueden ser generados durante el ensayo), los cuales desarrollan abrasión a tres cuerpos (Figura 1.12). Aquí también son usados materiales de referencia para establecer una relación.. Figura 1.11. Representación esquemática de una máquina de ensayo de alta tensión de tipo pin sobre disco [9].. Figura 1.12. Ensayo de alta tensión de tipo pin sobre disco con adición de abrasivos libres [9]..

(24) CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO. 15. 1.5.2 Ensayos de abrasión a baja tensión El ensayo de abrasión con rueda de goma (Figura 1.13) es el ensayo más usado para clasificar materiales sometidos a abrasión a baja tensión en servicio, como por ejemplo, herramientas de la agricultura, esteras transportadoras y contenedores en industrias de minería, rodillos de molinos y equipos de construcción. Hay una buena correlación entre los resultados de ensayos y las experiencias de campo.. Figura 1.13. Esquema simplificado del equipamiento para ensayo de desgaste abrasivo a baja tensión descrito en la norma ASTM G65 [15]. Este ensayo tiene su procedimiento establecido por la norma ASTM G65 y consiste en desbastar una probeta rectangular con arena de tamaño de grano y composición controlada. El abrasivo es introducido entre el cuerpo de prueba y la rueda de goma de dureza especificada, provocando la pérdida de masa. La goma cede de tal forma que el abrasivo no es fragmentado y con eso las condiciones para baja tensión son mantenidas. En este ensayo, el cuerpo de prueba es presionado por medio de un brazo con un peso especificado contra una rueda rotatoria de goma, mientras un flujo de arena esmerila la superficie. Los cuerpos de prueba son pesados antes y después del ensayo para determinar la pérdida de masa. Para.

(25) CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO. 16. posibilitar la comparación entre varias aleaciones es necesario convertir la pérdida de masa en pérdida de volumen. Este tipo de ensayo es el más extendido universalmente, por lo que se emplea comúnmente para evaluar depósitos de relleno realizados por soldadura. Teniendo en cuenta lo anterior es el tipo de ensayo empleado en el presente trabajo. 1.6 Aspectos generales sobre las características de las aleaciones empleadas en el relleno superficial de piezas sometidas al desgaste abrasivo Puede considerarse que las aleaciones resistentes al desgaste abrasivo deben ser necesariamente duras y por tanto frágiles con bajo coeficiente de fricción. Existen trabajos investigativos [16], donde se plantea que el desgaste tiene una dependencia del tipo hiperbólica con respecto a la dureza del material como se muestra en el Anexo I, sin embargo, se plantea que esta dependencia puede ser alterada con la presencia de cargas dinámicas debido a que según aumenta la dureza de la aleación se incrementa su fragilidad. Este criterio coincide con otros autores [17], pues se plantea que junto a la dureza, la tenacidad del material juega un papel importante para evitar la rotura o desprendimiento de partículas del metal como consecuencia de la acción directa de las partículas abrasivas. Este fenómeno está en dependencia de las dimensiones y propiedades (dureza y resistencia) de las partículas abrasivas, así como, del carácter de la carga (con o sin impacto, cíclica o estática), pues el abrasivo se puede incrustar en el metal (en caso de partículas finas) y después cortar y deformar el metal, puede deformar y provocar la rotura del metal sin incrustarse (abrasivo monolítico) o crear acritud y rotura. En el caso de que existan impactos se puede originar deformaciones, fatiga y rotura frágil. Investigaciones realizadas por Jroschov, Babichev, Bugachiev y Zhuvravliev [18], han demostrado que la resistencia al desgaste abrasivo depende fundamentalmente de la microestructura de la aleación. Sus estudios han comprobado que diferentes aleaciones de estructura totalmente martensíticas y elevada dureza, han ofrecido menos resistencia al desgaste que otras que además de poseer esa matriz y en igualdad de dureza, contienen un mayor porcentaje de carburos. Es conocido que en igualdad de dureza, el acero con.

(26) CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO. 17. estructura de granos gruesos, es menos resistente al desgaste que el de estructura de granos finos, por ser el primero menos resistente a la rotura frágil [18, 19]. Un criterio prácticamente universal es, que para contrarrestar la acción abrasiva del medio exterior, el metal debe poseer un constituyente duro, capaz de resistir la fricción de las partículas de minerales de alta dureza. Generalmente estos constituyentes son carburos, boruros y carbonitruros enlazados con la matriz, la cual juega un doble papel, en primer lugar es la encargada de fijar los carburos y a la vez resistir a la acción del desgaste. Por ejemplo, una matriz martensítica, es por sí misma resistente al desgaste. En el caso de una matriz dúctil de austenita inestable puede garantizar la fijación de los carburos y a la misma vez la resistencia al desgaste e incluso, bajo la acción del abrasivo en condiciones determinadas puede transformarse en martensítica, incrementándose la resistencia del material al desgaste [20]. Como ha sido indicado, las estructuras de las aleaciones fuertemente aleadas empleadas, en el desgaste abrasivo están compuestas de fases duras (carburo, boruros, etc.) distribuidos en la matriz la cual puede ser de diferente naturaleza. Se plantea [21, 22], que estas fases duras constituyen los microconstituyentes fundamentales de estas aleaciones debido a que, para durezas de las partículas abrasivas mayores de 1000 HV, otras estructuras como la martensita de los aceros ricos en carbono no poseen la suficiente resistencia, sin embargo, solo los carburos pueden tener durezas superiores. A modo de comparación, se muestra en el Anexo II, los diferentes valores de la dureza para distintos tipos de minerales según Mohs [23], y en el Anexo III la dureza correspondiente a los carburos que se presentan con mayor frecuencia en las aleaciones resistentes al desgaste abrasivo [24]. Como se observa, para desarrollar aleaciones utilizadas en la fabricación de piezas que trabajan con determinados minerales, solo es posible garantizar su resistencia al desgaste abrasivo con la presencia de fases duras de carburos cuya dureza es superior en la mayoría de los casos con las partículas de minerales tale como el cuarzo, feldespato, caliza, etc. Siendo la fase dura y frágil en las aleaciones utilizadas en relleno superficial, los carburos se comportan en muchos casos de manera diferente ante el desgaste. Cuando se presenta la fricción sin golpes estos incrementan de forma considerable la resistencia al.

(27) CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO. 18. desgaste, sin embargo con la experiencia de impactos, aleaciones ricas en carburos pueden comportarse de forma desfavorable, pues la alta fragilidad de la superficie determina su rápido deterioro [25]. Como se muestra en el Anexo III, cada tipo de carburo se caracteriza por una dureza determinada y por eso influyen indistintamente en la resistencia al desgaste. Se puede plantear que las aleaciones donde prevalecen los carburos de W debido a su elevada dureza, se reportan [26, 28], como las de mayor aplicación en los trabajos donde existe extrema abrasión. Uno de los elementos de aleación más empleados universalmente en el desarrollo de materiales resistentes al desgaste abrasivo es sin duda el Cr, pues no solo sus posibilidades de formar bases duras (carburos) constituyen el factor esencial en su amplia aplicación, sino también que es un elemento mucho más barato comparado con otros como el W, Mo, Ti. Esto se comprueba si se analizan algunos sistemas aleantes propuestos por diferentes normas como la DIN 8555, y AWS A4513-80, donde la presencia del Cr y C en altos por cientos constituyen siempre uno de los sistemas recomendados para el desgaste abrasivo. Por regla general, las aleaciones a base de Cr se pueden dividir en los siguientes grupos: [29]. 1.. Cr\C < 0,5: Siempre se forman carburos del tipo M3C.. 2.. 0,5 < Cr\C < 2: Puede existir solamente Cr3C o una mezcla de este con carburos del tipo Cr7C3.. 3.. Cr\C > 2: Generalmente no aparece Cr3C.. 4.. 2 < Cr\C < 5: Puede existir solamente Cr7C3 o una mezcla de este con Cr23C6.. 5.. Cr\C > 5 >: generalmente aparece Cr23C6.. Estos carburos pueden tener distintas dimensiones y formas, dependiendo de las condiciones de cristalización y del posterior enfriamiento [30]. Para una misma fracción volumétrica de carburos sus formas y dimensiones influyen de forma significativa en la resistencia al desgaste abrasivo [31], conjuntamente con la matriz donde se encuentren distribuidos, pues ésta puede tener diferentes propiedades y naturaleza. Investigaciones sobre la influencia de la aleación en la matriz respecto a sus propiedades.

(28) CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO. 19. [32], han permitido establecer algunos principios generales para la obtención de la matriz óptima y necesaria para garantizar la máxima resistencia al desgaste abrasivo independientemente del tipo de carburo, composición y tamaño. En primer lugar la matriz determina el grado de fijación de los carburos y la capacidad de deterioro de la aleación bajo la acción abrasiva, y además, determina el cuadro de propagación del frente de rotura (grietas). Conjuntamente a esto, la matriz puede ser por si misma resistente al desgaste. Algunos autores [31] consideran que la matriz martensítica es la de mayor resistencia al desgaste abrasivo, sin embargo, existe el criterio de que la austenítica es la que mejor fija los carburos y le da la suficiente tenacidad a las aleaciones [33]. Este fenómeno es sumamente importante cuando el desgaste abrasivo está acompañado de impactos. La mezcla de la austenita y martensita, puede brindar alta resistencia al desgaste y buena ductilidad, pudiendo ser en muchos casos la matriz óptima. Se recomienda [34], para el desgaste por fricción de bajo impacto, la matriz austenítica ya que se incrementa la resistencia al desgaste en la superficie de trabajo. La ferrita como matriz en los depósitos resistentes al desgaste en forma general, no es competente en comparación con la austenita o la martensita, ya que su resistencia y dureza son mucho menores y fija mucho menos los carburos [2]. Para obtener en un depósito de relleno un tipo de matriz determinado, uno de los factores fundamentales es la composición química [33], aunque pueden incidir otras causas como son; las velocidades de enfriamiento, tamaño del grano, presencia de partículas de alto punto de fusión, etc. [35]. En cuanto a la composición química existen elementos de aleación que influyen de forma más significativa en la obtención de uno u otro tipo de matriz. Según la literatura especializada [2], estos elementos son precisamente; C, Mn, y el Ni; aunque también ejercen influencia otros elementos que incluso en la actualidad se aplican frecuentemente en los sistemas aleantes para favorecer las propiedades de la matriz como son; B, Mo, V, Co, Cr, etc..

(29) CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO. 20. La mayoría de los elementos de aleación incrementan la estabilidad de la matriz austenítica de las aleaciones con excepción del Co, Ti y del Al [35], pues su solubilidad en la austenita incrementa el rango de transformación perlítica. A partir del efecto de los diferentes elementos de aleación destinados al relleno superficial, la norma AWS A5.13, establece los sistemas aleantes en correspondencia a su aplicación, es decir, según el mecanismo de desgaste principal y los complementarios presentes en la superficie a rellenar (Anexos IV y V). Como se contactado en la literatura el Si no es un elemento comúnmente utilizado en los sistemas de aleación destinados al relleno superficial , sin embargo, como fue explicado anteriormente, este elemento al estar presente en la ferroaleación obtenida, está dentro del sistema aleante que aporta el consumible al depósito. 1.7 Utilización del Vanadio (V) como elemento de aleación Independientemente de que se ha visto el efecto de los diferentes elementos de aleación en los depósitos destinados al relleno superficial, es importante conocer en más detalle la importancia del V. El electrodo tubular que se pretende fabricar está compuesto por una ferroaleación con aporte de Si y una aleación base V, teniendo en cuenta el efecto sobre todo, de este último elemento, en la estructura de los aceros y en este caso particular, de los depósitos de relleno. El V es un elemento que influye en el afino del grano y a disminuir la templabilidad, aumentando por lo tanto, la capacidad de endurecimiento por lo que se emplea principalmente para la fabricación de aceros para herramientas. Una característica de los aceros con la adición de V, es su gran resistencia al ablandamiento por revenido. Asimismo, es un formador de carburos cuando el contenido de C es considerable, dando como resultado un aumento de la resistencia al desgaste en aceros para herramientas [36]. El efecto apreciable del V sobre la formación de carburos, hace que solo con añadir porcientos en el orden de 0,5 de este elemento, ya existe la posibilidad de la formación de.

(30) CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO. 21. precipitados de alta dureza en los límites de grano y por tanto, la aleación adquiere efectos importantes ante determinados mecanismos de desgaste [36]. De acuerdo a la literatura [37], el V tiene un efecto muy importante en las aleaciones utilizadas en el relleno superficial ya que su baja solubilidad en la estructura durante el enfriamiento, es decir desde la austenita a la ferrita provoca la formación de carburos, garantizando en el depósito mayor resistencia al desgaste. Se plantea [38], que cuando la formación de carburos de V es apreciable, los aceros tienen una buena resistencia al desgaste por abrasión, ya que estos microconstituyentes pueden alcanzar una dureza hasta de 2500 HV. Por otro lado, el uso del V aumenta la resistencia a los impactos (resistencia a las fracturas por impacto) y también la resistencia a la fatiga. Aproximadamente el 85% de vanadio producido se utiliza como ferrovanadio o como aditivo del acero aumentando significativamente la resistencia de éste. Los aceros con V más utilizados son: a) Aceros rápidos que suelen contener de 0,50 a 1 por ciento de V. b) Aceros de herramientas de diversas clases. Con aleaciones de acero al carbono, contiene 0,15 a 0,25% de vanadio y se usa para herramientas de alta velocidad [8]. Para troqueles indeformables, etc., que suelen tener de 0,10 a 0,30% de V. c) Aceros para muelles Cr-V. En el caso de la soldadura, el V incrementa la resistencia mecánica de la unión, solo con un por ciento de este elemento en el orden de 0,05. Dentro de los trabajos consultados [37, 38], aparece como un criterio generalizado, que uno de los fenómenos en los que favorece el V como elemento de aleación, es en la reducción del tamaño del grano de la matriz de los depósitos y en dependencia del contenido de C puede favorecer la formación de microconstituyentes de elevada dureza. Estudios realizados [39], muestran que aportes de V en el orden del 1% puede incrementar considerablemente la presencia de carburos en la estructura de los aceros..

(31) CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO. 22. Teniendo en cuenta lo anterior es que se ha considerado evaluar el efecto del V como elemento de aleación a partir del sistema: Fe-Si-V-C, en la fabricación de consumibles destinados al desgaste abrasivo. 1.8 Electrodos tubulares revestidos Generalmente no es muy común la fabricación de electrodos tubulares revestidos dentro de las empresas que se dedican a la producción de consumibles para soldadura y recubrimiento superficial. Sin embargo, debido a sus determinadas ventajas para ciertas aplicaciones durante los procesos de relleno superficial, ha influido en que se desarrolle la producción de dichos electrodos. Algunas firmas de prestigio internacional como, por ejemplo; OERLIKON, UTP, BRIALL, poseen gran experiencia en la elaboración de estos materiales. Además se reportan trabajos en el campo de la soldadura donde se ha desarrollado este tipo de material [40], fundamentalmente para obtener depósitos con por cientos elevados de elementos aleantes. El perfil utilizado para la fabricación de electrodos tubulares para soldadura manual, está en correspondencia a los requerimientos técnicos en cada trabajo a desarrollar. Para el caso de utilizar el proceso de arco manual para relleno superficial, el perfil utilizado comúnmente en la práctica es el más sencillo, donde la envoltura o cinta conforma un tubo con cierre a tope o a solape. El uso de otros perfiles más complejos no conduciría desde el punto de vista tecnológico, a ninguna ventaja significativa para el caso de la soldadura manual por arco eléctrico. Algunos autores [41], consideran que los perfiles más simples garantizan un mayor porciento de adición de elementos aleantes en la carga, proporcionando al mismo tiempo, la posibilidad de obtener depósitos con elevados por cientos de componentes que permiten incrementar la resistencia de las superficies rellenadas. De forma diferente a los electrodos tubulares para los procesos automáticos y semiautomáticos, en el caso de aplicar estos consumibles mediante la soldadura manual, es necesario utilizar un revestimiento con el objetivo sobre todo, de garantizar, la estabilidad del arco y un metal de relleno libre de impurezas, poros, así como, de otros defectos que afecten la calidad del metal aportado..

(32) CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO. 23. De acuerdo a lo anterior, para soldadura con alambres tubulares mediante el proceso manual, el revestimiento, debe contener un grupo de minerales para garantizar sobre todo, las siguientes funciones:  Estabilizadores de arco.  Formadores de escoria. Es muy importante señalar que los electrodos tubulares revestidos para el relleno superficial no tienen una clasificación por la AWS (American Welding Society) como es el caso de los destinados para los procesos automáticos y semiautomáticos. Estos consumibles se comercializan a partir de un nombre comercial para su aplicación en un trabajo específico de relleno superficial, es decir, para contrarrestar un determinado mecanismo de desgaste. A continuación se presentan algunos electrodos tubulares revestidos fabricados por determinadas firmas.  WokaDur™ Electrodes [42].  Stoody Flux-Cored Stoody 140 (Tungsten & Vanadium Carbide, NI) [43].  CONARGEN E 721 [44]. La operación de conformado del electrodo, parte de transformar gradual y sucesivamente una cinta metálica en un perfil tubular. Esto se obtiene, haciendo pasar la cinta a través de una serie de pares de rodillos de acero, que con un movimiento rotativo deforman la cinta y la hacen tomar formas distintas en cada pasada con el fin de obtener el perfil deseado. Los pares de rodillos conformadores, debido a su función característica, vienen fijados en soportes especiales y dispuestos por pares. Cada par tiene un perfil distinto que se aproxima cada vez más a la sección deseada, el número de rodillos depende del perfil a obtener. El proceso de fabricación de los electrodos se muestra en la Figura 1.14..

(33) CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO. 24. Figura 1.14. Pasos para la fabricación de los alambres tubulares. Considerando los aspectos positivos de los electrodos tubulares revestidos, esencialmente las ventajas respecto a la posibilidad y sencillez de modificar su sistema aleante, en el presente trabajo se ha seleccionado este tipo de consumible para evaluar el efecto del V en la estructura del metal depositado y la resistencia al desgaste abrasivo al adicionarlo al sistema aleante base: Fe-Si-V-C..

(34) CAPÍTULO 2. FABRICACIÓN DE LOS ELECTRODOS Y REALIZACIÓN DE LOS ENSAYOS. CAPÍTULO 2.. 25. FABRICACIÓN DE LOS ELECTRODOS Y REALIZACIÓN DE LOS ENSAYOS. 2.1 Introducción En el presente capítulo, se presentan los aspectos fundamentales relacionados con la selección y trituración de los minerales para la fabricación de los electrodos tubulares en dependencia de su utilización en el consumible. Además, se ha realizado el tamizado y mezclado de los componentes a emplear en el revestimiento y en la carga aleante. Finalmente se fabrican los alambres tubulares (el núcleo), a un diámetro de 4 mm y se cortan a una longitud de 350 mm. Los alambres una vez cortados y enderezados se les aplican el revestimiento con la mezcla seleccionada. Por otra parte, se realizan depósitos de soldadura para evaluar el comportamiento tecnológico del consumible fabricado y evaluar posteriormente, lo referido al estudio de la estructura del metal aportado y la resistencia al desgaste abrasivo. 2.1.1 Ferroaleación utilizada en la carga aleante y en el revestimiento En la fabricación de los alambres tubulares, la preparación de la carga y su composición constituyen aspectos muy importantes para garantizar la calidad de los depósitos. En este trabajo, la carga está constituida por una ferroaleación que aporta al depósito valores significativos de Si, y el V según se puede apreciar en la Tabla 2.1. Este último, aunque puede parecer que es bajo, ya se explicó en el primer capítulo que por cientos de este elemento en el orden del 0,1, ya ofrece propiedades importantes a los depósitos de relleno. Esta ferroaleación fue obtenida en el trabajo [3], mediante el proceso de aluminotermia, utilizando como materias primas fundamentales: Cascarilla de laminación; polvo de aluminio y catalizador de vanadio envenenado..

(35) CAPÍTULO 2. FABRICACIÓN DE LOS ELECTRODOS Y REALIZACIÓN DE LOS ENSAYOS. 26. Tabla 2.1. Composición química teórica de las muestras (en % masa) [3] Mezcla. Si. Mn. S. Al. Cu. Zn. Fe. V. 29,22. 0,22. 1,21. 1,56. 1,86. 0,37. 61,44. 4,11. Para su utilización en la carga de los electrodos tubulares, la aleación se trituró y tamizó a una granulometría entre 0,1 y 0,25 mm. En la Tabla 2.2, se muestra la composición de la cinta para la fabricación del electrodo. Tabla 2.2. Composición de los elementos que intervienen en la cinta metálica. Componente Cinta metálica. Composición química C=0,085%; Si=0,27%; Mn=0,5%; P=0,035%; y S=0,04%. En el trabajo se utiliza un coeficiente de llenado de 0,42, y se determina de acuerdo a los cálculos realizados en otros trabajos [45]. Este coeficiente de llenado garantiza un grado de compactación de la carga capaz de retener la carga durante el proceso de corte de los electrodos. 2.1.2 Revestimiento utilizado en la fabricación del electrodo Para el caso del C, se ha considerado que este elemento de aleación sea aportado a través del revestimiento con la adición de grafito. De acuerdo a resultados obtenidos en otros trabajos [45], con la utilización de un 18 por ciento de grafito en el revestimiento (1,5 mm de espesor) se obtiene en la capa de relleno un por ciento de C entre 2,3 y 2,8, el cual es adecuado para depósitos de relleno destinados a contrarrestar el desgaste abrasivo..

(36) CAPÍTULO 2. FABRICACIÓN DE LOS ELECTRODOS Y REALIZACIÓN DE LOS ENSAYOS. 27. El componente fundamental del resto de los minerales utilizados en el revestimiento aparecen en la Tabla 2.3, a partir de la proporción obtenida y evaluada en otros trabajos [46]. Tabla 2.3. Minerales utilizados en el revestimiento. Elemento. Composición básica. Calcita. 55 % CaO. Fluorita. 95 % CaF2. Grafito. 100 % C. De la misma manera que en caso de la carga aleante, para utilizar los minerales señalados en la Tabla 2.3, en el revestimiento del electrodo, éstos se trituraron y se tamizaron a una granulometría menor de 0,1 mm. La proporción de los minerales utilizados en el revestimiento de acuerdo a resultados satisfactorios de otros trabajos precedentes [46], se muestran en la Tabla 2.4. Tabla 2.4. Composición del revestimiento utilizado. % Calcita. % Fluorita. % Grafito. 50. 32. 18. Silicato de sodio (% respecto a la masa seca) 35. 2.2 Fabricación de los alambres tubulares Un factor fundamental en la fabricación de los electrodos tubulares, es el tipo de sección transversal utilizada en este tipo de consumible el cual puede tener diversas configuraciones como se observa en la Figura 2.1..

(37) CAPÍTULO 2. FABRICACIÓN DE LOS ELECTRODOS Y REALIZACIÓN DE LOS ENSAYOS. (a). (b). 28. (c). Figura 2.1. Secciones transversales utilizadas en los electrodos tubulares. El perfil utilizado para la fabricación de electrodos tubulares, está en correspondencia al proceso de soldadura empleado y al sistema aleante utilizado, según se reporta en diversas fuentes bibliográficas [47] y lo analizado en el primer capítulo del presente trabajo. Para el caso de utilizar el método de soldadura manual por arco eléctrico, el perfil comúnmente empleado en la práctica, es donde la envoltura o cinta conforma un tubo con cierre a solape (Figura 2.1b); el uso de otros perfiles más complejos no ofrece ninguna ventaja significativa desde el punto de vista tecnológico. Sobre los criterios anteriormente señalados, el cierre a solape es el empleado en la fabricación de los electrodos de la presente investigación, considerando además, que los perfiles más simples garantizan la adición de una mayor proporción de elementos aleantes en la carga; es decir se logra un coeficiente de llenado superior al 30 por ciento, garantizándose depósitos altamente aleados. Para la fabricación de los electrodos tubulares del presente trabajo, se ha utilizado una máquina la cual se encuentra en el Laboratorio de Materiales para Soldar del Centro de Investigaciones de Soldadura de la Universidad Central de las Villas; la cual se muestra en la Figura 2.2a..

(38) CAPÍTULO 2. FABRICACIÓN DE LOS ELECTRODOS Y REALIZACIÓN DE LOS ENSAYOS. (a). 29. (b). Figura 2.2. Fabricación de los alambres tubulares con cierre a solape. a-Máquina utilizada, b-Alambre fabricado. La máquina utilizada emplea la tecnología de fabricación de alambres tubulares, mediante el conformado y trefilado de los metales en frío, en correspondencia a lo explicado en el capítulo 1 del presente trabajo (Figura 1.14). Para la adición de la carga al alambre se utiliza un dosificador (Figura 2.3), el cual puede ser regulado en cuanto a la altura y posición sobre un plato giratorio que proporciona los componentes sobre el alambre que está siendo conformado, asegurando con esto un coeficiente de llenado constante.. Figura 2.3. a- Esquema del sistema de llenado de los alambres tubulares (A- Alimentador de carga, B- Rasante, C- Pieza roscada, D- Plato); b- Sistema de la máquina utilizada..

(39) CAPÍTULO 2. FABRICACIÓN DE LOS ELECTRODOS Y REALIZACIÓN DE LOS ENSAYOS. 30. En nuestro caso el coeficiente de llenado utilizado es de 0,42 que determina el por ciento de aleación aportada por la carga. La tracción de la cinta metálica a través de los distintos pares de rodillos se garantiza por la fuerza motriz proporcionada por un tambor donde se enrolla el alambre tubular luego de haber pasado por el trefil final, siendo en este caso de 4 mm. Posterior al proceso de trefilado del alambre tubular al diámetro seleccionado, se endereza y corta a una longitud de 350 mm utilizando una máquina disponible en el mismo laboratorio de materiales para soldar, especialmente diseñada y fabricada para este fin. Una vista de este equipo se presenta en la Figura 2.4.. Figura 2.4. Máquina de enderezado y corte de alambres tubulares. Para revestir el electrodo se utilizó el proceso de inmersión, empleando la composición que aparece en la Tabla 2.4. Una vez aplicado el revestimiento, los electrodos se secaron al aire durante 24 horas y posteriormente a una temperatura entre 150 y 200 ºC durante 2 horas. En la Figura 2.5 se presentan los alambres tubulares fabricados correspondientes al sistema Fe-Si-V-C antes y después del enderezado..

(40) CAPÍTULO 2. FABRICACIÓN DE LOS ELECTRODOS Y REALIZACIÓN DE LOS ENSAYOS. (a). 31. (b). Figura 2.5. a- Alambres tubulares fabricados. a- antes del enderezado b- después del enderezado. En la Figura 2.6 se muestran los electrodos fabricados, donde se puede apreciar la adherencia y uniformidad de la capa del revestimiento (1,5 mm de espesor), así como, la ausencia de porosidad y grietas.. Figura 2.6. Electrodos fabricados con la capa de revestimiento. Para comprobar, el comportamiento del consumible desde el punto de vista tecnológico se realizaron depósitos de soldadura utilizando el régimen que parece en la Tabla 2.5..

(41) CAPÍTULO 2. FABRICACIÓN DE LOS ELECTRODOS Y REALIZACIÓN DE LOS ENSAYOS. 32. Tabla 2.5. Régimen utilizado en la operación de relleno Parámetro. Valor. Intensidad de corriente. 120-130 A. Voltaje. 22-27 Volts. Tipo de corriente. CD -. Con el régimen indicado, el electrodo garantiza un buen encendido del arco eléctrico, así como una buena estabilidad. La escoria desprende con facilidad sin la presencia de defectos superficiales, tales como poros, socavaduras, escoria atrapada y grietas. En las Figuras 2.7 (a, b), aparecen los depósitos obtenidos con los electrodos para el estudio metalográfico y de desgaste, donde se aprecia la sanidad de los cordones.. (a). (b). Figura 2.7. Depósito obtenido con el electrodo fabricado. a- Depósito para el estudio metalográfico; b- Depósito para el estudio a la resistencia al desgaste. 2.3 Metalografía y ensayo de desgaste Para realizar la caracterización del metal aportado por los electrodos fabricados, se realizaron depósitos con 5 capas sobre placas de acero AISI 1020 (12 x 120 x 140 mm).

(42) CAPÍTULO 2. FABRICACIÓN DE LOS ELECTRODOS Y REALIZACIÓN DE LOS ENSAYOS. 33. utilizando el régimen de soldadura recomendado [46], el cual se indica en la Tabla 2.5 del epígrafe anterior. Una vez realizado los depósitos, éstos se enfriaron hasta temperatura ambiente para no afectar la estructura. Teniendo en cuenta el procedimiento establecido, el depósito se cortó por ambos lados tomando la zona del medio, utilizando una instalación perteneciente al Laboratorio de Metalografía del Centro de Investigaciones de Soldadura de la Universidad Central de las Villas, que permite el corte de las muestras con un disco abrasivo y el enfriamiento mediante líquido refrigerante. Para la observación de las muestras en el microscopio, el desbaste de la superficie de las mismas se realizó inicialmente con diferentes tipos de lijas (120, 300, 400, 600, 1000) y finalmente fueron pulidas utilizando un paño y pasta abrasiva (Cr2O3 en suspensión). Para revelar la estructura y garantizar su observación en el microscopio, se utilizó como reactivo para el ataque, Nital al 2 %, durante 15 segundos. Este procedimiento se realizó teniendo en cuenta la composición del cordón de soldadura. Para la observación de la estructura se utilizó el microscopio metalográfico (Neophot 32), que se muestra en la Figura 2.8, perteneciente al Laboratorio de Metalografía del Centro de Investigaciones de Soldadura de la Universidad Central de las Villas.. Figura. 2.8. Microscopio Metalográfico (Neophot 32)..

(43) CAPÍTULO 2. FABRICACIÓN DE LOS ELECTRODOS Y REALIZACIÓN DE LOS ENSAYOS. 34. Para determinar la microdureza de la muestra se utilizó el microdurómetro marca Shimadzu, el cual se muestra en la Figura 2.9.. Figura 2.9. Microdurómetro marca Shimadzu. 2.4 Ensayo de desgaste El ensayo de desgaste utilizado en el presente trabajo en correspondencia a lo estudiado en el Capítulo 1, es el estandarizado por la norma ASTM G65, cuyos parámetros del ensayo se indican en la Tabla 2.6. Tabla 2.6. Parámetros de ensayo según ASTM G65 [15].

(44) CAPÍTULO 2. FABRICACIÓN DE LOS ELECTRODOS Y REALIZACIÓN DE LOS ENSAYOS. 35. El rango del flujo de arena establecido es de 300 a 400 g/min (0,66 a 0,88 lb/min). El tiempo del ensayo debe ser alrededor de 10 minutos para cada procedimiento, dependiendo de la velocidad real de la rueda. Como lo establece la norma, es importante seleccionar el procedimiento a seguir para tener en cuenta los parámetros indicados en la Tabla 2.5, en dependencia del nivel de resistencia al desgaste abrasivo estimado para el metal a evaluar. En nuestro trabajo, se ha considerado el procedimiento B, teniendo en cuenta que el metal aportado por los consumibles a evaluar, no forman parte de los sistemas aleantes destinados a la abrasión extrema. En la Figura 2.10, se muestra la máquina utilizada en los ensayos de desgaste abrasivo, fabricada en dependencia de los requerimientos que establece la norma ASTM G65.. Figura 2.10. Máquina usada en el ensayo. Antes de realizar los ensayos, se verificó el número de rpm a que gira la rueda de caucho, para esto se utilizó un tacómetro digital láser marca SHIMPO DT-205L (Figuras 2.11 y 2.12). Se pudo constatar que la rueda gira a 280 rpm como estaba previsto..

(45) CAPÍTULO 2. FABRICACIÓN DE LOS ELECTRODOS Y REALIZACIÓN DE LOS ENSAYOS. 36. Figura 2.11. Tacómetro láser digital marca SHIMPO DT-205L.. Figura 2.12. Medición de la velocidad en el eje de la rueda de caucho con el tacómetro láser. Para el ensayo se utilizó arena de sílice, con un tamaño de partícula obtenida a partir de un tamiz número 40 (425 µm) según establece la norma. Por último se constató la fuerza que se aplica entre la probeta y la rueda de caucho producto del brazo y las pesas colocadas en el mismo. Para esto se utilizó un dinamómetro alemán fabricado por la empresa KRAFTMESSGERATE HALLE (Figura 2.11). Con el instrumento en la posición que indica la Figura 2.14, se colocaron las pesas en el brazo para garantizar una fuerza sobre la probeta de 130 Newton, como lo establece la norma G65 para el procedimiento B..

(46) CAPÍTULO 2. FABRICACIÓN DE LOS ELECTRODOS Y REALIZACIÓN DE LOS ENSAYOS. Figura 2.13. Dinamómetro utilizado.. 37. Figura 2.14. Medición de la fuerza utilizando el dinamómetro.. Los depósitos de relleno multicapa se realizaron sobre placas de acero AISI 1020 según las indicaciones de la norma ASTM G65 y sus dimensiones son: 7,62 x 2,54 x 1,27 cm (3 x 1 x 0,5 pulgadas), Figura 2.15.. Figura 2.15. Forma de las probetas utilizadas en el ensayo. Los depósitos se rectificaron y se marcaron para el control de los ensayos. Posteriormente se pesaron utilizando una balanza digital marca SCALTEC que tiene una precisión de 0,0001 g como establece la norma G65 para el procedimiento B de este ensayo de abrasión (Figura 2.16)..

(47) CAPÍTULO 2. FABRICACIÓN DE LOS ELECTRODOS Y REALIZACIÓN DE LOS ENSAYOS. Figura 2.16. Balanza marca SCALTEC con precisión de 0,0001 g.. 38.

(48) CAPÍTULO 3. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN RESULTADOS. CAPÍTULO 3.. 39. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS. 3.1 Estudio del metal aportado por los electrodos A partir de lo consultado en la literatura [48], para las aleaciones base Fe y C, se pueden formar en el metal depositado, diversas estructuras dependiendo de la adición de elementos a la grafitización, como el Si, Ni, Cu y Al, así como por la presencia de otros elementos, que por su creciente afinidad al C y el por ciento existente, da lugar a la presencia de carburos de alta dureza. Dentro de estos elementos está el Mn, Cr, Mo, Nb, V, Ti, etc. Si es bajo el contenido de los elementos que forman en la mayoría de los casos carburos (menor al 2 por ciento), estos se disuelven en la cementita y se expresa por la fórmula; (Fe, Me)3C, donde Me es el elemento de aleación. No obstante en algunos casos existen elementos de aleación que por sus potencialidades en la formación de carburos, aunque su contenido esté por debajo del 2 por ciento pueden aparecer en la estructura microconstituyentes carburos simples, como es el caso del V y Ti. En la Tabla 3.1, se muestran los resultados de la composición química de los depósitos realizados con el electrodo fabricado, realizado por el método de emisión atómica, denominado Espectrolab. En este caso se aprecia los valores significativos de C, y sobre todo de V. Tabla 3.1. Composición del metal depositado con el electrodo fabricado. Dentro de los elementos más representativos del depósito está el V, ya que este elemento ofrece una influencia determinante en los depósitos de relleno, considerándose que solo un 0,5 por ciento de dicho elemento, es significativo [36] al influir en el tipo de estructura en la capa de relleno las cuales han sido analizadas en el capítulo 1 de la presente tesis, donde.

(49) CAPÍTULO 3. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN RESULTADOS. 40. se resalta la formación del C6V5 desde la solución sólida, así como el aumento de la templabilidad al reducir la presencia de la austenita remanente [49]. La cantidad de C, también resulta de interés, teniendo en cuenta su papel en la formación de carburos, microconstituyentes indispensables para lograr buena resistencia al degaste por abrasión, independientemente de su influencia en las fases presentes en la matriz. El Si, es un componente poco empleado como parte de los sistemas de aleación de los consumibles destinados al recubrimiento superficial, se puede observar en el Anexo IV, que la norma AWS A5.13, solo ocasionalmente emplea este elemento. De acuerdo a los resultados de la composición química del depósito mostrado en la Tabla 3.1, se aporta un 5 por ciento de este elemento, cuya causa, es su elevado contenido en la aleación utilizada en la fabricación del electrodo. De acuerdo a lo consultado en la literatura [50], el Si influye en la estructura de los aceros, ya que este elemento puede aumentar apreciablemente la dureza de la ferrita y en el caso de las fundiciones tiene un efecto marcado en la grafitización, aunque este resultado depende también de la razón de enfriamiento. En el presente trabajo es importante tener en cuenta que las velocidades de enfriamiento de los depósitos de relleno son apreciables, lo que limita la presencia del grafito libre en los depósitos, considerando además, que hay elementos como el V, con gran afinidad por el carbono. En base a lo analizado anteriormente, la composición mostrada en la Tabla 3.1, y la dureza, los depósitos obtenidos se caracterizan por una fundición blanca hipoeutéctica formada por perlita (zona oscura), y una zona blanca que ocupa el mayor volumen, formada por un eutéctico compuesto por austenita remanente y carburos de acuerdo a lo reportado en la literatura [51, 52], para recubrimientos con composiciones con cierta semejanza. La estructura se puede apreciar en la Figura 3.1. El eutéctico formado a partir de la composición del depósito, se caracteriza en este caso por la presencia de los carburos del tipo Fe3C y V4C3 a partir de lo reportado en la literatura [53] y en correspondencia a la dureza obtenida en los depósitos la cual está en el orden de los 1600 HV, según lo mostrado en la Tabla 3.2..

(50) CAPÍTULO 3. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN RESULTADOS. 41. Figura 3.1. Estructura obtenida en el depósito con electrodos tubulares revestidos (100X), utilizando un sistema aleante: Fe-Si-V-C (X 200). Tabla 3.2. Resultados de la microdureza en la estructura obtenida en el depósito con electrodos tubulares revestidos utilizando un sistema aleante: Fe-Si-V-C (carga 25g) Mediciones. Dureza (HV). 1. 1478. 2. 1782. 3. 1650. 4. 1714. 5. 1533. Media. 1631. Como se ha explicado, la zona eutéctica de elevada dureza prácticamente ocupa más del 50 % de la estructura, lo cual puede ser favorable para contrarrestar el desgaste abrasivo, aunque se conoce, que no siempre la dureza es proporcional a la resistencia de este tipo de.

(51) CAPÍTULO 3. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN RESULTADOS. 42. deterioro, pues es conveniente la presencia de fases (matriz) con cierta ductilidad para garantizar la adherencia de los microconstituyentes duros, los cuales pueden ser desprendidos durante el trabajo de la superficie si no se garantiza dicha propiedad. 3.2 Comportamiento de la resistencia al desgaste del metal depositado Para analizar el comportamiento de la resistencia al desgaste del metal depositado por el consumible, se determinó inicialmente la pérdida de masa que tuvo cada probeta una vez sometidas a las condiciones de ensayo de acuerdo a lo señalado en el capítulo anterior. En la Tabla 3.3, aparece la pérdida de masa de cada una de las muestras evaluadas y también la de volumen, en correspondencia a lo establecido por la norma ASTM G65. La pérdida de volumen se determinó a partir de la expresión 3.1. Volumen perdido, mm 3 . masa perdida ( g ) x 1000. densidad ( g / cm 3 ). (3.1). Tabla 3.3. Resultados de la pérdida de masa y de volumen para las muestras ensayadas obtenidas con el sistema aleante: Fe-Si-V-C Peso Peso antes después del ensayo del ensayo en (g) en (g) Identificación Probetas. Diferencia de peso en (g). Pérdida de volumen (mm3). 1. 102,7146. 102,5787. 0,1359. 17,2462. 2. 102,6279. 102,4960. 0,1319. 16,7387. 3. 81,0774. 80,9155. 0,1619. 20,5457. Para evaluar el nivel de resistencia al desgaste abrasivo, de los depósitos obtenidos con los electrodos fabricados con el sistema aleante: Fe-Si-V-C, y tener un criterio acertado en este sentido, es necesario comparar los resultados obtenidos en el presente trabajo, con los alcanzados con otros consumibles o aleaciones destinadas a este tipo de deterioro..

(52) CAPÍTULO 3. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN RESULTADOS. 43. En la Tabla 3.4, se muestran los resultados obtenidos en cuanto a la resistencia al desgaste abrasivo, utilizando el ensayo ASTM G65, de depósitos de relleno realizados con electrodos fabricados con el sistema: Fe-Cr-Mn-V-C [54]. Tabla 3.4. Resultados de la pérdida de masa y de volumen para las muestras ensayadas obtenidas con el sistema aleante: Fe-Cr-Mn-V-C [54] Probetas. Peso antes. Peso después. Diferencia. Pérdida de. Identificación. del ensayo. del ensayo en. de peso en. volumen. en (g). (g). (g). (mm3). D. 92,2743. 92,2221. 0,0522. 6,6412. E. 88,1219. 88,0621. 0,0598. 7,6081. F. 88,0763. 88,0382. 0,0381. 4,8473. Al comparar los resultados de la pérdida de volumen, para los probetas obtenidas con el electrodo perteneciente al sistema: Fe-Si-V-C, correspondiente al presente trabajo (Tabla 3.3), con respecto a los obtenidos con los consumibles del sistema: Fe-Cr-Mn-V-C, se aprecia que éste último resulta mucho menor, lo que infiere una mayor resistencia al desgaste abrasivo. Resulta interesante que la estructura de los depósitos obtenidos con el electrodo fabricado con el sistema de aleación: Fe-Cr-Mn-V-C, está formada por una matriz formada por ausentita remanente y un eutéctico, cuyas durezas están en el orden de los 540 HV, y 650 HV respectivamente [54], la cual se muestra en la Figura 3.2..

(53) CAPÍTULO 3. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN RESULTADOS. 44. Figura 3.2. Estructura obtenida en el depósito con electrodos tubulares revestidos utilizando el sistema aleante (Fe-Cr-Mn-V-C). De acuerdo a lo anterior, se evidencia que la resistencia al desgaste abrasivo no es proporcional a la dureza de los depósitos, ya que el tipo de estructura y las fases presentes, así como su distribución juegan un papel fundamental en el mecanismo de deterioro de este tipo de desgaste. En la Figura 3.3, se muestra la superficie de trabajo (contacto con el abrasivo) de una de las probetas ensayadas al desgaste abrasivo correspondiente al presente trabajo, empleando el método seleccionado. Como se puede observar, se evidencia un desprendimiento del metal del depósito y no exactamente microcortes en la dirección de la rotación de la banda de goma como sucede normalmente en los ensayos de desgaste abrasivo (Figura 3.4)..

(54) CAPÍTULO 3. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN RESULTADOS. 45. Desprendimiento de metal. Figura 3.3. Superficie de trabajo de las muestras ensayadas de las probetas obtenidas con el electrodo fabricado con el sistema aleante: Fe-Si-V-C. Microcortes ocasionados por la abrasión. Figura 3.4. Superficie de trabajo de las muestras ensayadas de las probetas obtenidas con el electrodo fabricado con el sistema aleante: Fe-Cr-Mn-V-C. Lo analizado anteriormente demuestra, que el sistema aleante utilizado en la fabricación del electrodo tubular fabricado en la presente tesis, tiene perspectivas de empleo en el relleno superficial de piezas sometidas al desgaste por abrasión dado por la elevada dureza que se alcanza en los depósitos, sin embargo, debe analizarse la posibilidad de introducir al sistema, otro elemento de aleación, por ejemplo; el Mn o el Ni para aumentar la ductilidad de la capa de relleno y de esta manera evitar el desprendimiento de metal..