COMPRESION DIAMETRAL DE SELLOS CERAMICOS
COMERCIALES
A.G. Tomba Martinez, M.M. Reboredoy A.L. Cavalieri
Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de los Materiales (INTEMA). Av. J.B. Justo 4302 (7600) Mar del Plata, ARGENTINA.
RESUMEN
La compresión diametral en geometrías cilíndricas se emplea, aunque no habitualmente, en la determinación de la resistencia mecánica de materiales cerámicos. Se estudió la posibili-dad de evaluar por este método la respuesta mecánica de anillos cerámicos usados como se-llos en bombas de agua. Se emplearon dos series de anise-llos: chicos C y grandes (G). Los ani-llos se caracterizaron por análisis cualitativo de fases (DRX), medidas de densidad aparente, dureza Vickers y análisis superficial (microscopía óptica y medidas de rugosidad). Se deter-minó la fase cristalina α-Al2O3 como componente principal de todos los anillos estudiados.
Los ensayos mecánicos se realizaron en control por posición sobre un número estadístico de probetas, a temperatura ambiente en aire. Se estudió el efecto de la velocidad de desplaza-miento, del material muelle y de las dimensiones de los anillos sobre los valores medidos de la carga aplicada a la rotura y las características de las curvas carga-desplazamiento obtenidas. Se establecieron las mismas condiciones de ensayo óptimas para las dos series de anillos: ve-locidad de desplazamiento del actuador de 0,05 mm/min y empleo de grasa de MoS2 como
material muelle. Se estimó la resistencia mecánica a partir de la carga a la rotura medida y las dimensiones del anillo, calculando el esfuerzo máximo en tensión mediante fórmulas analíti-cas aproximadas. Los valores de la resistencia a la fractura (σF) obtenidos fueron: 195±30
MPa para los anillos G y 180±44 MPa para los C.
Palabras claves
sellos mecánicos, compresión diametral, fractura
INTRODUCCION
El sello mecánico está destinado a sustituir cada vez en mayor grado a la junta o empaquetadura tradicional en ejes rotativos. Esto se debe principalmente a una elevada seguridad de servicio, bajo o nulo mantenimiento, pérdidas mínimas y larga duración. Su gama de aplicaciones es excepcionalmente extensa, siendo las principales en los sectores de electrodomésticos, industria del automóvil, químicos, petroquímicos, aeronáuticos, espaciales y bombas industriales y agrícolas [1-3]. En los sellos mecánicos disponibles comercialmente las piezas sobre el eje de la bomba, tanto rotativas como estacionarias son, en general, anillos de materiales cerámicos con geometrías más o menos complejas según su función [1-3].
En la evaluación de la resistencia mecánica de cilindros, la compresión diametral es de uso relativamente común [4-7] y se basa en el estado de esfuerzos desarrollado cuando el
especimen se comprime desde su superficie en la dirección de su diámetro. Sin embargo, la evaluación de anillos en esta solicitación es inusual.
En este trabajo se estudiaron las condiciones experimentales para el empleo de una modificación del método de compresión diametral de cilindros en la evaluación mecánica de anillos cerámicos componentes de sellos mecánicos usados comúnmente en bombas centrífugas de agua. Se emplearon anillos comerciales de diferentes dimensiones y se analizaron las caracte-rísticas de la fractura en cada caso. Se evaluó la conveniencia de emplear una fórmula analítica para el cálculo de la resistencia mecánica de los anillos dada la complejidad de la distribución de esfuerzos para una probeta anular.
PARTE EXPERIMENTAL
1- Caracterización de los anillos cerámicos
Se emplearon dos geometrías diferentes de anillos cerámicos componentes estacionarios de sellos mecánicos comerciales. Luego de una inspección ocular se determinaron para ambos tipos de anillos: dimensiones, fases principales, densidad aparente, dureza y características superficiales.
El análisis cualitativo de fases se realizó por difracción de rayos X empleando un equi-po Philips con radiación de Cu Kα a 30 mA, 40 kV y una velocidad de barrido de 1°/min. Para la obtención del valor de la densidad aparente de los anillos se empleó el método de Arquí-medes en agua a temperatura ambiente. Las características superficiales de las dos caras de los anillos se observaron por microscopía óptica empleando un microscopio metalográfico Olym-pus PMG3 (rango de 500X a 1000X sin inmersión). La rugosidad superficial de ambas caras se determinó con un perfilómetro Surtronic 3+ (Taylor Hobson) equipado con una punta de diamante de 1 µm. Se utilizó una longitud de muestreo de 1,25 mm y un ‘cut-off’de 0,25 mm. La dureza del material se determinó por la técnica de indentación sobre las superficies pulidas de los anillos, empleando un microdurómetro Tukon modelo 300. Se utilizó un indenter Vi-ckers aplicado con una carga de 3,0 kg (determinada por medidas previas para obtener las curvas dureza/carga) durante 15 s. Se realizaron tres indentaciones por muestra sobre la cara pulida, obteniéndose el tamaño de la impronta como el promedio de todas las medidas de am-bas diagonales.
2- Ensayos mecánicos
En el ensayo mecánico en compresión diametral se aplica sobre el anillo una carga compresiva uniaxial en la dirección del diámetro, hasta la rotura de la probeta. Se empleó una máquina universal de ensayos mecánicos INSTRON modelo 8501 servohidráulica, con actuador hidráulico y celda de carga de 100 kN, empleando platos de compresión de acero de 50 kN y en control por posición. Los platos de compresión tienen un sistema de calibración y un asiento esférico que permiten el acomodamiento de la probeta a ensayar asegurando la axialidad de la carga (paralelismo de los platos).
Los ensayos se realizaron en aire a temperatura ambiente (temperaturas de uso de los sellos cerámicos comerciales, según las especificaciones del proveedor: -25°C - 200°C [2, 3]).
3- Cálculo de la resistencia a la fractura
La distribución de esfuerzos para una geometría anular solicitada en compresión dia-metral es compleja, dificultando el cálculo de valores de resistencia a la fractura a partir de la carga a la rotura medida en el ensayo mecánico. Sin embargo, puede hacerse una primera aproximación al valor máximo de la tensión y así calcular valores de resistencia a la fractura haciendo una serie de suposiciones acerca del problema. Así, si se considera al anillo como una viga estáticamente independiente y asumiendo que [8]: a) el anillo tiene una sección transversal uniforme, b) tiene un radio suficientemente grande en comparación al espesor ra-dial tal que pueda aplicarse la teoría de la deflexión de barras rectas, c) la deflexión es debida sólo al momento flector y por efecto de la tracción o compresión axial directa, despreciando los efectos de corte y d) no alcanza en ningún punto el límite elástico, se podría calcular el esfuerzo en tracción máximo (σMAX) que ocurre en el punto de aplicación de la carga:
donde: σMAX (MPa)= tensión, P(N)= carga aplicada (cuando P es la carga de rotura, σMAX
=re-sistencia a la fractura= σF), b(mm)= espesor del anillo, REXT (mm)= radio externo del anillo,
RINT (mm)= radio interno del anillo, h(mm)= espesor radia = REXT - RINT,.
Los anillos cerámicos utilizados cumplen con las restricciones de la Ec. (1) salvo la b), dado que el espesor radial en ambos casos es de magnitud algo mayor que el requerido. Por este motivo, la fórmula se emplea con fines estimativos y se prevé para trabajos futuros in-tentar una mejora mediante la simulación numérica del problema (elementos finitos).
La distribución de los valores de resistencia a la fractura se obtuvo considerando un estimador de la probabilidad de falla (PF), adecuado para el número de probetas usadas (N):
RESULTADOS Y DISCUSION 1- Caracterización de los anillos
Los dos tipos de anillos cerámicos utilizados, nombrados como G y C, presentan dimen-siones diferentes como se observa en la Tabla 1, que registra los valores promedio de todos los anillos ensayados. Además, en ambos casos, las dos caras del anillo presentan característi-cas superficiales diferentes, detectables visualmente (Tabla 1)
2 9098 , 1 bh PREXT MAX = σ (1) N i PF = −0,5 (2)
Tabla 1. Características de los anillos G y C G C REXT (mm) 18,01±0,02 6,37±0,02 RINT (mm) 10,24±0,02 4,11±0,02 REXT / RINT 1,76±0,02 1,55±0,02 b (mm) 6,02±0,02 5,05±0,02
Cara 1 (cerámico/cerámico)* pulido grueso pulido grueso
Cara 2 (cerámico/O-ring)* sin mecanizado sin mecanizado
con ranura circular centrada * disposición en el sello mecánico
En la Fig. 1 se muestran los difractogramas de los anillos G y C. Los patrones de difrac-ción no evidenciaron diferencias significativas (posidifrac-ción, intensidad y ancho de los picos) entre ambos tipos de anillos, identificándose α-Al2O3 como fase mayoritaria.
Figura 1. Difractogramas de los anillos G y C
El valor medio de la densidad aparente de los anillos fue de 3,63±0,01 g/cm3 para los G
y 3,66±0,01 g/cm3 para los C. Las diferencias con la densidad teórica de la α-Al O (3,98
20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70
anillo C
anillo G
ma, en ambos tipos de discos. Además, se verificó visualmente un mayor grado de pulido de la cara 1 en los anillos C respecto de los G.
El valor de la rugosidad promedio de las medidas realizadas sobre la cara sin trata-miento superficial (2) resultó semejante para los dos tipos de anillos: 0,749±0,141 µm para los G y 0,743±0,035 µm para los C. Por el contrario, la rugosidad promedio de las medidas sobre la cara pulida (1) fue menor para los anillos C que para los G: 0,241±0,090 µm y 0,651± 0,01 µm, respectivamente. Estos valores concuerdan con las observaciones realizadas por micros-copía óptica e inspección ocular respecto a la calidad de pulido.
La dureza Vickers medida sobre los anillos G y C fue de 18,8±0,9 GPa y 19,3±0,9 GPa, respectivamente, en acuerdo con valores medidos en alúminas densas [9]. La diferencia de-terminada se puede asociar al acabado superficial y/o porosidad de los anillos G y C.
2- Comportamiento mecánico 2.1- Variables del ensayo mecánico
En ensayos preliminares se variaron la velocidad de desplazamiento del actuador y el material muelle para estudiar las condiciones experimentales adecuadas a emplearse en los ensayos en compresión diametral de los anillos cerámicos G y C.
El rango estudiado de velocidades de desplazamiento del actuador fue de 0,025-0,5 mm/min y 0,05-0,5 mm/min para los anillos G y C, respectivamente. Para ambos tipos de anillos fue posible seleccionar el mismo valor de 0,05 mm/min. Las velocidades más altas se consideraron inadecuadas ya que la falla de los anillos se producía para tiempos de ensayo muy cortos (menores de 1 min), no dando tiempo al acomodamiento de la probeta entre los platos de compresión (mala calidad del apoyo e incluso la rotura del papel en este tipo de en-sayos). En el otro extremo, las velocidades muy bajas conducían a tiempos de ensayo extre-madamente largos (mayores a 5 min), no pudiéndose descartar en estas condiciones la exis-tencia de crecimiento sub-crítico de fisuras previo a la rotura del anillo.
En cuanto al material usado como muelle, se ensayaron cuatro condiciones diferentes: 1) sin material muelle, 2) con una plancha de cobre de 0,115 mm de espesor, 3) con grasa de litio, 4) con grasa de sulfuro de molibdeno. Los resultados obtenidos para los anillos G y C ensayados en todas las condiciones fueron similares. Como era esperado, el mayor efecto de rozamiento se observó sin material muelle entre la muestra y los platos de compresión mien-tras que la mayor calidad de apoyo se logró empleando las grasas de Li y MoS2. Los mejores
resultados se obtuvieron con la segunda (empleada habitualmente en solicitaciones donde se requiere minimizar la fricción), que se eligió como material muelle para el resto de los ensa-yos. Cuando se empleó la plancha de Cu se observó una deformación importante de la misma, con una calidad de apoyo intermedia.
2.2- Ensayos mecánicos en compresión diametral
De acuerdo a los resultados preliminares, los ensayos en compresión diametral de los anillos G y C se realizaron con una velocidad de desplazamiento del actuador de 0,05 mm/ min y empleando grasa de MoS2 como material muelle entre la probeta y los platos de
com-presión. Para cada ensayo se evaluaron las características macroscópicas de la fractura y las curvas carga-desplazamiento y se consideró la carga a la que ocurre la primer rotura para el cálculo de la resistencia a la fractura (Ec. (1)).
En todos los anillos G y C ensayados la fractura ocurrió por etapas. En la Fig. 2 se pre-sentan curvas carga-desplazamiento típicas para ambos tipos de anillos. La no-linealidad de las curvas en las primeras etapas del ensayo se asocia al reacomodamiento del sistema (probe-ta/sistema de carga). En general, para ambos tipos de anillo se obtuvo una respuesta lineal a valores de carga cercanos a la mitad de la carga media de rotura (≈ 1 kN para los G y ≈ 0,4 kN para los C) con una mayor deformación elástica en los C (pendiente de 31±2 kN/mm y 15±2 kN/mm para los anillos G y C, respectivamente).
Figura 2. Curvas carga/desplazamiento para los anillos G y C
Las distribuciones de valores de resistencia a la fractura para los dos tipos de anillos se muestran en la Fig. 3. Los rangos son semejantes (120-240 MPa) siendo los valores medios de σF y de las desviaciones estándar: 195±30 MPa para los anillos G y 180±44 MPa para los C.
Estos valores resultaron algo menores que los reportados para materiales densos
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 anillo G 3° fractura 2° fractura 1° fractura car ga ( kN ) desplazamiento (mm) 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 4° fractura 3° fractura 2° fractura 1° fractura anillo C ca rg a (k N ) desplazamiento (mm) 140 160 180 200 220 240 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 anillos G PF σF(MPa) 120 140 160 180 200 220 240 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 anillos C PF σF (MPa)
por la teoría estadística de Weibull en cuanto a la mayor probabilidad de encontrar un defecto de tamaño crítico en la zona de máximo esfuerzo [12]. Sin embargo, la ranura anular que pre-sentan los anillos C en una de sus caras puede actuar como un concentrador de tensiones adi-cional a los defectos intrínsecos del material, dando como resultado la disminución de la re-sistencia del material a soportar carga respecto de los anillos G.
2.3- Características de la fractura
La fractura fue semejante para ambas series de anillos G y C. En todos los casos se pro-dujo fractura catastrófica del anillo en etapas. En todos los anillos ensayados la fractura se inició en los puntos de aplicación de la carga (fisuras principales), de acuerdo a la distribución de esfuerzos predicha con el modelo aproximado (Parte Experimental, punto 3). En algunos casos, la fractura ocurrió sobre el eje de aplicación de la carga en los puntos superior e infe-rior simultáneamente y en otros hubo un retardo en la fractura de un punto respecto de la del otro. La frecuencia de ocurrencia del primer caso fue mayor entre los anillos que soportaron mayor carga, lo cual se correspondería a una mayor energía mecánica almacenada hasta el inicio de la fractura.
Luego de la rotura sobre el eje de aplicación de la carga, la mayoría de los anillos pre-sentó una o dos fisuras laterales. La fragmentación total resultante de las sucesivas roturas fue en los anillos G: 81% en 4 partes, 13% en 3 partes y un 6% en sólo 2 partes y en los anillos C: 90% en 4 partes y 10% en 3 partes. Si bien es bajo el número de probetas con poca fragmen-tación, éstas pueden relacionarse con el rango de valores más bajos de σF asociado
nueva-mente con menor energía almacenada al inicio de la fractura. La orientación de las fisuras laterales respecto a la dirección del eje de aplicación de carga varió, en general, en el rango 30-60°, siendo algo más frecuente la rotura a 45° en los anillos C (29% en los anillos G y 42% en los C). En los anillos C los pasos de las fisuras fueron bastante rectos, mientras que en los anillos G esto ocurrió con mucha menor frecuencia (45%). Como consecuencia, las superfi-cies de fractura en el primer caso resultaron planas y las de los anillos G presentaron frecuen-temente relieves. Estos aspectos de la rotura de los anillos G muestran que el corte puede te-ner significancia en la fractura de estos materiales.
En las curvas de la Fig. 3 los valores de σF parecen agruparse en dos poblaciones
dife-rentes tanto en los anillos G como en los C. Este efecto es mucho más pronunciado en los anillos C, lo cual se atribuye al menor número de probetas ensayadas en este caso. La existen-cia de distintas agrupaciones en las curvas PF vs. σF se pueden asociar al ensayo (tales como
diferencias en las características del apoyo) o a las probetas (específicamente, distintos tipos de defectos críticos que pueden actuar como iniciadores de la falla, determinando la resisten-cia). No se encontró una relación de estas diferentes poblaciones de valores de resistencia mecánica ni con las diferencias entre las curvas carga-desplazamiento para cada anillo (límite de carga de la zona no-lineal, pendiente de la región lineal, entre otras) o la calidad del apoyo, fue muy buena para ambos tipos de anillos (con algunas excepciones distribuidas al azar entre todos los especimenes ensayados) ni con las características de la fractura o los valores de du-reza y densidad determinados.
Para determinar la existencia de una relación entre los quiebres de las curvas de distri-bución de valores de resistencia a la fractura y poblaciones múltiples de defectos de procesa-miento o mecanizado, se hace indispensable hacer el análisis fractográfico ya que la inspec-ción de las superficies de fractura de los anillos G y C no permitió la detecinspec-ción de los defectos que pudieran haber actuado como iniciadores de la falla.
CONCLUSIONES
El ensayo en compresión diametral resultó un método adecuado para evaluar el comporta-miento bajo solicitaciones mecánicas de anillos cerámicos usados en sellos comerciales.
Las condiciones experimentales del ensayo afectaron los resultados y fue posible estable-cer los mismos parámetros de ensayo óptimos para las dos series de sellos, al menos dentro del rango de diámetros estudiado.
Los ensayos mecánicos realizados sobre las dos series de anillos fueron reproducibles y controlados pudiéndose descartar la influencia de las variables estudiadas sobre las variaciones observadas, que podrían atribuirse a las características de las probetas inherentes al procesa-miento de los materiales cerámicos.
La fórmula analítica usada como primera aproximación para el cálculo de las resistencias a la fractura de los anillos permitió obtener buenas estimaciones de estos valores, que resultaron del orden de los publicados para alúmina densa en compresión diametral de cilindros. Además, la fractura se inició en los puntos de máxima tensión predichos por el modelo simple asumido, lo cual da un mayor sustento al empleo de la fórmula.
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