Estudio del desgaste abrasivo en hierro fundido

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(1)Pensamiento. Título: Estudio del desgaste abrasivo en hierro fundido Autor: Carlos David Mora Aguila Tutor: Dr. Iván Negrín Hernández Dr. Alejandro Duffus Scott. , junio 2018.

(2) Pensamiento. Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria “Chiqui Gómez Lubian” subordinada a la Dirección de Información Científico Técnica de la mencionada casa de altos estudios. Se autoriza su utilización bajo la licencia siguiente: Atribución- No Comercial- Compartir Igual. Para cualquier información contacte con: Dirección de Información Científico Técnica. Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. Carretera a Camajuaní. Km 5½. Santa Clara. Villa Clara. Cuba. CP. 54 830 Teléfonos.: +53 01 42281503-1419.

(3) Pensamiento. Pensamiento “La teoría es cuando se sabe todo y nada funciona. La práctica es cuando todo funciona y nadie sabe por qué. En este caso hemos combinado la teoría y la práctica: nada funciona... y nadie sabe por qué.” Albert Einstein.

(4) Dedicatoria. Dedicatoria A mi mamá, mi abuela y toda mi familia por su amor, consejos y apoyo a lo largo de estos años A mis amigos por siempre estar presentes e incondicionales cuando los necesité A Negrín y Duffus por ayudarme en esta Tesis A mis vecinos por estar siempre a disposición A todos los que me brindaron su ayuda en la realización de esta Tesis. Muchas Gracias Carlos David Mora Aguila.

(5) Resumen Resumen En el presente trabajo se realiza el estudio de desgaste abrasivo a cuatro tipos de hierro fundido. Primeramente, se realiza el análisis químico de los materiales, llegándose a la conclusión que son hierros fundidos con una composición diferente. Posteriormente se realiza el estudio metalográfico de estos materiales, de éste se concluye que todos tienen una estructura diferente, ya sea por la matriz metálica o por las inclusiones de grafito. Se determina la dureza Vickers comprobándose también que tienen diferentes grados de dureza. Después de caracterizados los materiales se realiza el ensayo de desgaste utilizando el método conocido como de arena seca-rueda de caucho normado por la ASTM G 65. El resultado de los ensayos concluye que la resistencia al desgaste de los hierros fundidos es un mecanismo complejo en el que se tiene que tener en cuenta la composición química, la dureza y la estructura con sus múltiples combinaciones de matriz y las inclusiones de grafito..

(6) Abstract Abstract Presently work the study of abrasive wear to four types of cast iron is carried out. Firstly, the chemical analysis of the materials is carried out, being reached the conclusion that they are cast irons with a different composition. Later the methalografic analysis of these materials is made, of this can conclude that all have a different structure either for the metallic matrix or for the graphite inclusions. The Vickers hardness is determined being also proven that they have different grades of hardness. After having characterized the materials the wear test is carried out, using the well-known Dry Sand-Rubber Wheel method normalized for the ASTM G 65 standard. The result of the tests concludes that the resistance to the wear of the cast irons is a complex mechanism in which one has to keep in mind the chemical composition, the hardness and the structure with its multiple matrix combinations and the graphite inclusions..

(7) Índice Índice PENSAMIENTO………………………………………………………………………………......... DEDICATORIA……………………………………………………………………………………... RESUMEN…………………………………………………………………………………………. ABSTRACT…………………………………………………………………………………………. INTRODUCCIÓN CAPÍTULO I: Marco teórico 1- Teoría de desgaste. Pág. 1 3. 1.1-. Clases de desgaste. 3. 1.2-. Métodos experimentales para la determinación de la resistencia de los materiales bajo ensayo de abrasión Aleaciones hierro-carbono. 6. 1.3-. CAPÍTULO II: Descripción de la máquina y procedimiento del ensayo 2.1- Introducción 2.2- Parámetros del ensayo 2.3- Procedimiento del ensayo 2.4- Cálculo y reporte de los resultados 2.5- Verificación de los parámetros de trabajo de la máquina CAPÍTULO III: Desarrollo del ensayo de arena seca con disco de caucho 3.1- Introducción 3.2- Caracterización de los materiales 3.3- Realización del ensayo 3.4- Procesamiento y análisis de los resultados 3.5- Determinación de la pérdida de volumen 3.6- Determinación del coeficiente de desgaste (K) 3.7- Análisis de los resultados CONCLUSIONES GENERALES………………………………………………………. 11 17 17 18 20 20 25 25 30 31 35 35 37 40. RECOMENDACIONES…………………………………………………………………... 41. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS………………………………………………….. 42. ANEXOS………………………………………………………………………………... 45.

(8) Introducción Introducción La industria de la producción de hierro fundido es una de las principales a nivel internacional. Anualmente son producidas piezas que son ensambladas y empleadas como componentes de equipos y maquinarias. La producción de hierro fundido es el triple al resto de las producciones de metales ferrosos y no ferrosos juntos, superado solo. por. la. producción. de. acero. laminado. (http://www.turkdokum.com/turkishfoundryindustry.htm).. según. datos. Muchas. de. obtenidos las. en. piezas. fabricadas de hierro fundido están sometidas a desgaste abrasivo, por lo que es necesario conocer como se comportan los diferentes tipos de hofo ante este tipo de desgaste teniendo en cuenta algunos aspectos como composición química y estructural. El desgaste es la pérdida de material sufrida por una superficie sólida por acción de otra superficie. Está relacionado con las interacciones entre superficies y más específicamente con la eliminación de material de una superficie como resultado de una acción mecánica. La necesidad de una acción mecánica, en forma de contacto debido a un movimiento relativo, es una distinción importante entre desgaste mecánico y cualquier otro proceso con similares resultados. Existen disímiles tipos de ensayos tribológicos ya que durante los últimos años se han diseñado gran cantidad de equipos para la evaluación del desgaste y la fricción con el fin de seleccionar el más apropiado para una correcta interpretación de los resultados [1]. Entre los mecanismos básicos de desgaste se encuentra la abrasión pura, que ocurre cuando partículas duras o protuberancias duras se comprimen y se desplazan sobre una superficie sólida [2]. Comparado con otros tipos de desgaste, los modelos analíticos desarrollados para describir la abrasión son mucho más fiables y comprensibles, lo que facilita grandemente la interpretación de los resultados de los ensayos.. 1.

(9) Objetivos Objetivo General  Realizar un estudio del efecto que produce la abrasión en el hierro fundido atendiendo a su composición química, metalografía y dureza. Objetivos específicos  Realizar una revisión bibliográfica que permita conocer los aspectos fundamentales del fenómeno de la abrasión, así como los principales ensayos que se realizan.  Realizar el análisis químico y metalográfico a cuatro tipos de hierro fundido.  Determinar el comportamiento de las diferentes muestras ante la abrasión utilizando el método rueda de caucho-arena seca teniendo en cuenta sus propiedades.. 2.

(10) Capitulo I. Marco teórico Capítulo I. Marco teórico 1. Teoría de desgaste Desgaste es un fenómeno por medio del cual pequeñas partículas de la superficie de trabajo de una pieza son removidas. El desgaste produce una disminución de las dimensiones de la pieza afectada [3]. Clases de desgaste. 1.1. Algunos mecanismos (o procesos) específicos de desgaste son: -. Desgaste adhesivo. -. Desgaste abrasivo. -. Fatiga superficial. -. Desgaste erosivo. -. Desgaste corrosivo. -. Calor (Temperatura). -. Por impacto. -. Cavitación. Desgaste adhesivo También llamado desgaste por fricción ó deslizante, es una forma de deterioro que se presenta entre dos superficies en contacto deslizante. Este desgaste es el segundo más común en la industria y ocurre cuando dos superficies sólidas se deslizan una sobre la otra bajo presión. Desgaste por fatiga superficial El desgaste por fatiga superficial se observa durante el deslizamiento repetido o rodamiento sobre una pista. Las partículas suspendidas entre dos superficies sometidas a una carga cíclica pueden causar fracturas superficiales que, eventualmente debido a la carga repetida conllevan a la destrucción de la superficie.. 3.

(11) Capitulo I. Marco teórico Desgaste erosivo Desgaste provocado por sólidos en suspensión en líquidos o gases que se encuentran en movimiento. La energía cinética de las partículas abrasivas es transferida al componente para un deterioro superficial. Desgaste corrosivo Es el deterioro gradual de las superficies metálicas, efecto de la atmósfera, sales, ácidos, etc. Un ataque químico o electroquímico sobre un material y el medio que lo rodea. Desgaste por calor (Temperatura) Se debe a la repetición, ciclos de calentamiento y enfriamiento. Los choques térmicos provocan fracturas o fisuras, por los esfuerzos residuales. Desgaste por impacto Es provocado por impactos cíclicos o repetidos, en contacto violento entre la pieza y un material extraño que puede ser metálico o no metálico. El impacto es un golpe que produce cambios en la estructura del metal base. La magnitud de las alteraciones depende del tamaño del elemento extraño y de la fuerza de golpe. El desgaste se produce por desprendimiento por fatiga o repetidos impactos. Desgaste por cavitación Desgaste provocado por líquido en movimiento. Es la generación y posterior implosión de burbujas de vapor de agua producto de un cambio de velocidades en el fluido que implica cambios de presión hidráulica en el sistema. El desgaste se produce cuando las ondas de choque microfisuran el material base. Desgaste abrasivo El desgaste por abrasión es provocado por acción de partículas sólidas, duras, extrañas al material base. Existen tres tipos de abrasión: 1. Abrasión con bajo esfuerzo Producido por pequeñas partículas que se deslizan libremente sobre una superficie a ángulo incidente bajo, y empleando presiones bajas. 2. Abrasión de alto esfuerzo Producido por la molienda del abrasivo entre dos superficies metálicas. 4.

(12) Capitulo I. Marco teórico 3. Abrasión por desgarramiento Causado por grandes partículas que hacen impacto en la superficie de un metal a grandes ángulos de incidencia. Las presiones ejercidas sobre la superficie son muy elevadas.. 1.1.1 Mecanismos de desgaste por abrasión Las condiciones físicas y mecánicas que provocan el desgaste por abrasión son: -Tamaño de partícula- Ambientes con partículas menores son más abrasivos y atacan con mayor rapidez a la matriz que los ambientes con partículas mayores. - Peso de partículas- Partículas con mayor peso poseen un porcentaje de desgaste más alto y afectan los niveles de impacto resultantes. - Forma de partícula- Las partículas más incisivas o angulares presentan mayor agresividad y generan acciones cortantes más altas. - Dureza de las partículas- Minerales más duros aumentan el porcentaje de desgaste sin tener en cuenta la dureza del metal en la superficie. -Textura de partícula  Medio fibroso- Los medios fibrosos no poseen efecto sobre el desgaste.  Medio frágil- Los medios frágiles tienen bajos niveles de abrasión ya que son triturados o molidos con relativa facilidad.  Medio cementado- Son medios sedimentarios formados en el contorno de rocas y son más abrasivos.  Medio consolidado- Son partículas muy abrasivas ya que requieren altas cargas de compresión o impacto para ser reducidas.  Velocidad de partículas- A mayores velocidades el nivel de abrasión aumenta con el tiempo. -Ángulo de ataque- Ángulos pequeños de ataque (hasta 30º) aumentan el porcentaje de desgaste por abrasión, ángulos altos (cerca de 90º) aumenta los niveles de impacto. -Condiciones del medio de trabajo  Medios secos- Poseen menor efecto de abrasión.  Medios húmedos- pastosos y barrosos. - Presentan más alta abrasión y presentan un mayor contacto con la matriz del metal ó depósito. 5.

(13) Capitulo I. Marco teórico  Medios húmedos- Presentan un elevado nivel de abrasión, las partículas son muy agresivas ya que sus velocidades son altas.. 1.2 Métodos experimentales para la determinación de la resistencia al desgaste de los materiales bajo ensayo de abrasión La mayoría de los autores que de una forma u otra han trabajado el desarrollo y evaluación de materiales destinados a la fabricación o recuperación de piezas que forman uniones tribológicas emplean como método de evaluación de la resistencia al desgaste el ensayo bajo prueba de abrasión. Es bastante generalizado en este sentido la evaluación y estudio de la resistencia al desgaste de los materiales rigiéndose por los métodos y procedimientos establecidos en diferentes normas de ASTM e ISO y normas específicas regidas en cada país. Estos procedimientos, cuyas especificaciones son dadas por la norma ASTM G65 y ASTM G99, respectivamente, permiten obtener resultados sobre el comportamiento cuantitativo y cualitativo de un material con respecto a otros, donde la pérdida de masa es el parámetro principal [4], no obstante se debe aclarar, que todas estas normas hacen especial hincapié en que los resultados obtenidos no pueden ser extrapolados a las condiciones reales de servicio, si no que únicamente son válidos para clasificar los materiales objeto de estudio [5-6] Pruebas de abrasión fueron realizadas a diferentes tipos de piezas por el Instituto de Estructuras Hidráulicas e Hidromecánicas de la Universidad Técnica de Darmstadt en Alemania Occidental [7]. En la prueba se usó arena y grava de río en tubería de concreto reforzado, en tubería de concreto sin refuerzo, en tubería de arcilla vitrificada y en tubería de PVC, el método utilizado fue el de volcamiento, produciendo los siguientes resultados: Concreto sin refuerzo: desgaste medible a los 150,000 ciclos. Concreto con refuerzo: desgaste medible a los 150,000 ciclos (menos desgaste que el concreto sin refuerzo). Arcilla vitrificada: desgaste mínimo a los 260,000 ciclos, después se acelera el desgaste debido a que el vidriado desaparece. En la segunda mitad de la década de los 90 del siglo pasado Fonseca Uribe D.A diplomante del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental de la Universidad de los Andes de conjunto con el Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados de 6.

(14) Capitulo I. Marco teórico Colombia realizaron estudios comparativos de abrasión en tuberías de alcantarillado de distintos diámetro y materiales por el método de volcamiento desarrollado por la Universidad Técnica de Darmstadt, dando la siguiente recomendación: la prueba que simula este fenómeno, la prueba de volcamiento no es la ideal ya que no representa muy bien las condiciones reales del movimiento de las partículas dentro de la tubería, lo ideal sería plantar otro sistema que modele mejor estas situaciones en donde, en cambio de balancear la mezcla de un lado para otro en la tubería, esta sea dirigida en una dirección como lo es en la vida real, además, que se pueda cambiar la velocidad de flujo y la pendiente [7]. En la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas se realizó un estudio de abrasión en tuberías fabricadas con hierro fundido. Para el mismo se utilizó el método de arena secarueda de caucho y se arribaron a conclusiones que están relacionadas con la estructura de estos materiales. Sin embargo, no se pudo llegar a conclusiones que tuvieran en cuenta el porciento de carbono, pues el mismo estaba por encima del 6% y la máquina que utilizaron para hacer el análisis químico no ofrece este dato con exactitud [8]. Shutov, I.D. [9], Realiza ensayos de abrasión bajo el principio de Haworth-Brinell, el cual se basa en un disco recubierto de goma que fricciona contra la probeta de ensayo, dejando caer entre ambas superficies un chorro de arena seca. Para la realización de sus ensayos tomó las siguientes condiciones: Material abrasivo – arena sílice con tamaño de partícula de 170 a 250 µm en un primer experimento, de 250 a 500 µm en un segundo experimento y de 500 a 1000 µm en un tercer experimento; una carga de 400 N, equivalente a una presión de 1,25 MPa; velocidad de rotación del disco 160 rpm, lo corresponde a un velocidad lineal de 0,628 m/s. Ensayos similares han sido realizados por Álvarez, G. E. [10-11]. En ambos casos la caracterización del desgaste se realizó en una instalación desarrollada y construida por el laboratorio de Tribología e Ingeniería de Materiales de la UCLV y bajo el procedimiento metodológico establecido por la norma ASTM G 65 [5]. Como condiciones fundamentales bajo las cuales se realizan los ensayos son: material abrasivo – arena sílice con tamaño de partícula de 200 µm; una carga de 130 N, velocidad de rotación del disco de 60 – 330 rpm, recomendado para los ensayos una velocidad lineal de 0,6 m/s. La superficie de la probeta se elabora con un grado de acabado de 0,8 µm. 7.

(15) Capitulo I. Marco teórico García et. al. [12] realizan un análisis de la influencia del cromo y el carbono en la resistencia al desgaste de aleaciones ferrosas. Para este estudio utilizan los métodos de arena húmeda-rueda de caucho establecido en la norma ASTM G 105 y el método de chorreo. En los resultados establecen que estos elementos aumentan la dureza del material y al mismo tiempo aumentan la resistencia al desgaste. Kashiev, V. N. [13, 14] al evaluar la resistencia al desgaste de aceros aleados utilizó el método de ensayo de abrasión en masa abrasiva. El método en si consiste en hacer girar la probeta sobre su eje a velocidades de 0,72 a 7,8 m/s. La masa abrasiva posee un tamaño de partícula de 500 µm, y las pruebas se realizan con un tiempo de duración de 35 minutos a 1 hora. El diámetro de las probetas se establece de 30 mm. Este autor realizó sus ensayos bajo dos condiciones, una haciendo girar la probeta sobre su eje y, dos haciendo girar el dispositivo porta abrasivo en un sentido y la probeta en otro. Frumina, I. I. [15]. Realiza el estudio de la resistencia al desgaste bajo prueba de abrasión utilizando tres métodos de ensayo: El primero establece el empleo de arena sílice seca con granulometría de 0,5 a 1,5 mm sobre disco de goma estriado de un diámetro de 165 mm, y un espesor de 20 mm; una carga de 200 N, equivalente a una presión de contacto de 200 MPa; una velocidad de 1 m/s, un recorrido de fricción de 2000 m, y una duración del ensayo de 25 minutos. El segundo método está basado en abrasión metal – abrasivo –metal, dejando caer el chorro abrasivo entre las superficies de la probeta y del disco de acero al carbono, el cual tiene un diámetro de 100 mm y un espesor de 10 mm. Como abrasivo utilizan arena sílice con un tamaño de partícula de 0,5 a 1,25 mm; una carga de 130 N, generando sobre la superficie de contacto una presión de 100 MPa, una velocidad de 0,75 m/s, un recorrido de fricción de 1500 m y una duración del ensayo de 30 minutos. El tercer método está basado en el principio de un disco que fricciona contra una zapata, e introducen en la zona de contacto material lubricante con finas partículas abrasivas. El disco se elabora de acero aleado con una alta dureza superficial, un diámetro de 100 mm. La probeta del material a ensayar presenta la forma geométrica de una zapata. La carga en este caso es de 300 N, logrando una presión de contacto de 10 a 15 MPa. La velocidad de 1,5 m/s, el recorrido de fricción 4500 m y una duración del ensayo de 8 horas. El sistema de lubricación es por goteo, garantizando como condición un régimen de lubricación de capa límite. 8.

(16) Capitulo I. Marco teórico Goyos L. et al [16] estudian la influencia del silicio y el tratamiento térmico sobre la microestructura y la resistencia al desgaste abrasivo en una fundición blanca. En este trabajo se utilizó el ensayo de espiga en disco abrasivo. Izbenko, Y. A. [17] Diseña y valida una instalación para ensayos de desgaste que responde al principio de PIN – DISCO, utilizando como material abrasivo arena sílice con granulometría de 0,2 a 0,4 mm, un recorrido de fricción de 400 m, y una presión de 10 a 30 MPa. También propone el empleo de tela abrasiva número 150 y 220. Chigaev V. D. [18] realiza sus experimentos bajo el principio de PIN – DISCO – ABRASIVO, utilizando como material abrasivo tela abrasiva de carburo de silicio negro y carburo de boro, así como electrocorundom, en todos los casos con granulometría entre 0,2 y 0,315 mm. La presión sobre la zona de contacto entre 10 y 40 MPa. Zozulia V. D. [19] refiere para el estudio del desgaste de los materiales bajo prueba de abrasión una instalación que al igual que el caso anterior responde al principio de PIN – DISCO – ABRASIVO, la cual como características fundamentales posee las siguientes: Diámetro del disco de 250 mm, diámetro de la probeta 2 mm y una longitud de 15 a 20 mm. El disco gira generando en la probeta una velocidad de 1 m/s. Los ensayos se realizan con una carga de 30 N, generando una presión de 2 MPa. Como material abrasivo emplean lijas o telas abrasivas número 150 y 220. Rojas-Fernández et al. [20] realizan un estudio con el objetivo de incrementar la resistencia a la abrasión del hierro fundido aleado Ni-Resist a partir de la adición de aluminio como inductor de compuestos intermetálicos. En este trabajo no se indica que método se utilizó para realizar los ensayos de desgaste abrasivo. Para evaluar la exactitud de la medición del desgaste en diferentes materiales Kroja V. A. [21] tomó dos tipos de materiales, uno de los cuales consideró como patrón de referencia y otro como muestra a estudiar. Todo el estudio se basó en la determinación de la repetitividad, reproducibilidad, y precisión del ensayo. Como criterio fundamental toma la desviación estándar y el coeficiente de variación. Los ensayos se realizaron en una instalación de tipo PIN – DISCO – ABRASIVO, bajo una carga de 2 MPa, una velocidad de 2 m/s, un recorrido de fricción de 500 m, y un tiempo de duración del ensayo de 30 minutos. El tamaño de las muestras en ambos casos fue de 12, al igual que la misma cantidad de lijas abrasiva. 9.

(17) Capitulo I. Marco teórico En otro de sus trabajos Kroja V. A. [22] desarrolla un método para la elaboración de las probetas durante el ensayo de desgaste por abrasión. Destaca como aspectos fundamentales que se pueden elaborar dos tipos de probetas, cilíndricas con diámetros de 2 – 8 mm, y rectangulares con un espesor de 2 – 6 mm, todo dependerá de los dispositivos porta probeta con que cuente la instalación experimental. Ambas probetas friccionan por sus caras planas (sección transversal). De igual manera enfatiza en el grado de acabado de la superficie, recomendando para este tipo de ensayo una rugosidad de 0,8 µm. Las dimensiones de las mismas deben ser pequeñas para que el método medición de la magnitud del desgaste por diferencia de peso pueda ser satisfactoriamente empleado. Los experimentos fueron realizados en una instalación experimental de tipo PIN – DISCO – ABRASIVO, con una carga de 2 MPa, una velocidad de deslizamiento de 1,5 m/s, un recorrido de fricción de 800 m, y como material abrasivo papel de lija Nº 150, 220 y 400. Poliakov A. A. [23] al estudiar diferentes factores y aspectos relacionados con la resistencia al desgaste de materiales bajo ensayo de abrasión utilizó un tribómetro de tipo PIN – DISCO – ABRASIVO y como régimen del ensayo tomó: Presión de 1 – 3 MPa, velocidades de rotación del disco porta abrasivo de 40 a 160 rpm, y como material abrasivo lijas Nº 150, 200 y 400. Las probetas presentan una forma cilíndrica con diámetro de 4 mm y una longitud de 12 mm. Roda Vázquez, C [24] al estudiar el comportamiento frente al desgaste abrasivo de las aleaciones con tendencia a la formación de carburos aplicadas por soldadura, utilizó una máquina del tipo rueda de goma - arena húmeda. El principio básico de funcionamiento de dicha instalación es el de una rueda de goma (130 x 13 x 13 mm) que sumergida hasta la mitad de su diámetro en arena húmeda gira friccionando contra una probeta plana de 25,4 x 57,2 x 15,9 mm. La velocidad de rotación del disco de goma es de 1000 rpm. Como material abrasivo arena sílice del tipo ASF 50/70 con tamaño de partícula de 230 a 270 µm. La carga bajo la cual se realizan los ensayos es de 22 N, y el desgaste se determina por diferencia de peso y se convierte a volumétrico. El desgaste en hierros fundidos también ha sido estudiado por otros autores [25, 26], lo que demuestra la gran importancia y actualidad del estudio que se pretende en este trabajo. 10.

(18) Capitulo I. Marco teórico Un método muy adecuado para determinar la resistencia al desgaste entre metales es el denominado PIN – ON – DISK (Pin sobre disco). Este método puede aplicarse a una gran variedad de materiales. El único requisito es que las probetas tengan dimensiones específicas para que puedan resistir las cargas aplicadas durante el ensayo. Los materiales a ser probados deberán tener una detallada descripción en cuanto a dimensiones, acabado superficial, tipo de material, forma, composición, microestructura, tratamientos térmicos y dureza. En el Laboratorio de tribología de la UCLV se ha realizado también ensayos de desgaste a tuberías de polipropileno de alta densidad (PAD). En este trabajo los autores realizan los ensayos de “pin on disk” y “arena seca disco de goma” para caracterizar desde el punto de vista tribológico este material ampliamente utilizado en la fabricación de tuberías. Como se ha visto, varios han empleado el método PIN – DISCO – ABRASIVO para determinar la resistencia al desgaste de materiales. Las condiciones en las que los mismos han realizado coinciden en gran medida con las referidas en los trabajos anteriores. En el caso del presente trabajo se ha seleccionado el método de RUEDA DE GOMA Y ARENA SECA, pues además de todo lo anteriormente planteado, según la investigación realizada por (L. Ferreiro, et al del Dpto. Ingeniería Industrial II. Universidad de A Coruña) que compara tres métodos de ensayo, el ya mencionado, así como el método de PINDISCO ABRSIVO y RUEDA DE GOMA Y ARENA HÚMEDA llegaron a la conclusión de que “La tendencia obtenida en los tres casos es similar, y en todos ellos la resistencia al desgaste disminuye cuando lo hace la dureza con carácter general”.. 1.3 Aleaciones hierro carbono El hierro puro carece de importancia industrial, pero al formar aleaciones con el carbono y otros elementos, es la aleación de mayor relevancia en la industria. Las aleaciones con contenido de carbono entre 0,08% hasta 2% se denominan acero cuando la proporción de carbono es mayor a 2% hasta 6,67%, a la aleación se le denomina hierro fundido o fundición.. 11.

(19) Capitulo I. Marco teórico Los hierros fundidos difieren de los aceros en [27]: 1. Mayor contenido de carbono. 2. En su estructura pueden aparecer ledeburita, grafito, perlita, ferrita. 3. Menor punto de fusión lo que provoca mayor fluidez. 4. Poca capacidad de deformación plástica. 5. Mayor contenido de silicio, manganeso, fósforo, azufre.. Fig.1. Producción de hierro fundido en Planta Mecánica de Santa Clara. 1.3.1 Clasificación de hierros fundidos Los hierros fundidos o fundiciones se clasifican en: - Hierro fundido blanco. - Hierro fundido gris. - Hierro fundido nodular ó dúctil. - Hierro fundido maleable. - Hierros fundidos aleados (NIHARD). 1.3.1.1 Fundición blanca Se caracterizan porque en ellas todo el carbono se va a encontrar combinado con el hierro. Las estructuras que presentan son de perlita, cementita y ledeburita. En ellas la zona fracturada presenta un color blanquecino caracterizándose además por:  Elevada dureza.  Elevada fragilidad.  Baja maquinabilidad. 12.

(20) Capitulo I. Marco teórico  Elevada resistencia al desgaste. Fig.2. Microestructura de la fundición blanca. Tomado de [28] 1.3.1.2 Fundición gris Se caracterizan porque la mayor parte del carbono se encuentra en estado libre de grafito laminar. Presenta las siguientes propiedades:  Buena maquinabilidad.  Elevada resistencia al desgaste.  Buenas propiedades de fundición. Por su forma son capaces de amortiguar vibraciones. Atendiendo a su estructura las fundiciones grises se dividen en:  Fundición gris perlítica.  Fundición gris ferrito-perlítica.  Fundición gris ferrítica.. Fig.3. Microestructura del hierro gris (ferrita y perlita). Tomado de [28]. 13.

(21) Capitulo I. Marco teórico 1.3.1.3 Fundición nodular o dúctil Se caracterizan porque todo el carbono se encuentra en forma de grafito nodular. Esta fundición se obtiene añadiendo magnesio o cerio a la carga de metal fundido durante el proceso de fundición. Presenta las siguientes propiedades:  Mayor ductilidad.  Mayor resistencia al fuego.  Mejor resistencia al desgaste. Fig.4. Microestructura de la fundición nodular ferrítico perlítica. Tomado de [28] 1.3.1.4 Fundición maleable Se caracterizan por presentar el carbono libre en forma de grafito, el cual se encuentra en forma de roseta y se obtiene a partir de someter a la fundición blanca a un recocido de grafitización a temperaturas de 650ºC y un posterior enfriamiento en horno durante 24 horas (existen otros métodos como la cementación continuada de aceros de alto carbono). Presenta las siguientes características:  Alta resistencia a la tracción.  Elevada plasticidad.  Elevada viscosidad al impacto.. 14.

(22) Capitulo I. Marco teórico. Fig.5. Microestructura de la fundición maleable ferrítica. Tomado de [28]. 1.3.1.5 Fundiciones aleadas (NIHARD) Se caracterizan por presentar elementos maleantes como el cromo, níquel, manganeso, silicio, aluminio, cobre, titanio, molibdeno, vanadio los cuales influyen en la microestructura y propiedades de las mismas. Sus propiedades fundamentales son:  Resistencia a la formación de cascarilla.  Resistencia a la abrasión.  Resistencia a algunos ácidos.  Termorresistencia.. 15.

(23) Conclusiones parciales Conclusiones parciales  Una de las principales fallas que provocan el deterioro de las piezas de hierro fundido es el desgaste debido a la abrasión de las partículas que son arrastradas por el fluido.  Para la caracterización del material de las Piezas Fundidas se recomienda la realización de ensayos tribológicos, siendo los fundamentales el ensayo tipo conocido como “rueda de caucho – arena seca” normado por la ASTM G 65, el tipo “pin on disk” normado por la ASTM G 99 y el ensayo “rueda de goma-arena húmeda” normado por la ASTM G 105.  Para el estudio de abrasión en hierro fundido se profundiza en el método de “arena seca disco de caucho”, pues el equipamiento a utilizar se encuentra en el laboratorio de Resistencia de Materiales y según la bibliografía la tendencia de los tres tipos de ensayos presenta gran similitud.. 16.

(24) Capítulo II. Descripción de la máquina y procedimiento del ensayo Capítulo II. Descripción de la máquina y procedimiento del ensayo. 2.1. Introducción. Es muy difícil relacionar los resultados obtenidos en los ensayos de abrasión con las condiciones de uso reales, debido a la presencia de las muchas variables que influyen en este proceso. Sin embargo, existen pruebas que comparan diferentes materiales y aclaran algunas de las variables presentes en el mecanismo de la abrasión. Dentro de estos ensayos se encuentra el de arena seca y rueda de caucho, estandarizado por la norma ASTM G 65, que será el que se utilizará en este capítulo. 2.2. Parámetros del ensayo 2.2.1- La tabla 2.1 indica la fuerza aplicada contra la probeta y el número de revoluciones de la rueda para los procesos A hasta la E. Tabla 2.1. Parámetros del ensayo.. 2.2.2. Flujo de arena. El rango del flujo de arena será de 300 a 400 g/min (0.66 a 0.88 lb/min). 2.2.3. Tiempo. El tiempo del ensayo debe ser alrededor de 30 minutos para los procedimientos A y D, 10 min para procedimiento B, 5 min para procedimiento E, y 30 seg para procedimiento C, dependiendo de la velocidad real de la rueda. En todos los casos el número de revoluciones de la rueda y no el tiempo será el parámetro controlado. 2.2.4. Abrasión lineal. La Tabla 2.1 muestra la distancia lineal de abrasión desarrollada usando 228.6 mm (9 pulg) de diámetro de la rueda rotando al número de revoluciones especificadas. Como la rueda de caucho reduce su diámetro se ajustarán las revoluciones para que sea igual la distancia de deslizamiento con la nueva rueda.. 17.

(25) Capítulo II. Descripción de la máquina y procedimiento del ensayo 2.3. Procedimiento 2.3.1. Limpieza. Inmediatamente antes de pesar, limpie la probeta con un disolvente o limpiador y séquela. Tenga cuidado en quitar toda suciedad o materia extraña de la probeta. 2.3.2. Pesar la probeta con precisión de 0.001 g (0.0001 g para el procedimiento D). 2.3.3. Coloque la probeta firmemente en su lugar y adicione las pesas necesarias para garantizar la fuerza que debe aplicarse en la zona de contacto con la rueda. Esto puede verificarse colocando un dinamómetro en este punto del contacto. Debe colocarse algún dispositivo que garantice que no se aplique fuerza sobre la probeta antes de iniciar el ensayo. 2.3.4. Verifique que el número de revoluciones de la máquina coincida con el establecido. 2.3.5. Cortina y flujo de arena. La magnitud del flujo de arena a través de la boquilla debe estar entre 300 g (0.66 lb) /min y 400 g (0.88 lb) /min. No comenzar la rotación de la rueda hasta que el flujo de arena sea el requerido y esté estabilizado. 2.3.5.1. El tiempo entre un ensayo y otro será el requerido para que la temperatura de la rueda de goma regrese a la temperatura ambiente. Para el procedimiento B el tiempo será como mínimo de 30 minutos. 2.3.6. Inicie la rotación de la rueda e inmediatamente baje el brazo cuidadosamente para permitir que la probeta entre en contacto con la rueda. 2.3.7. Cuando se ha alcanzado el número de revoluciones de la rueda deseados, separe la probeta de la rueda, corte el flujo de arena y detenga la máquina. La magnitud del flujo de arena debe medirse antes y después de un ensayo, a menos que se garantice con certeza que este sea constante. 2.3.8. Retire la probeta y repese con 0.001 g de exactitud (0.0001 g para el procedimiento D). 2.3.8.1. Huella de desgaste. Observe la huella de desgaste producida y compárela con las fotografías de la Fig. 2.1. Un modelo de desgaste no uniforme indica un incorrecto alineamiento del anillo de goma con respecto a la probeta o que se encuentra dañada la superficie de goma. Esta condición puede reducir la exactitud de la prueba.. 18.

(26) Capítulo II. Descripción de la máquina y procedimiento del ensayo. Fig.2.1. Huellas típicas de desgaste uniforme y no uniforme. 2.3.9. Preparación y cuidado de la rueda de caucho. Al recubrir toda rueda de goma nueva debe garantizarse que quede concéntrico el aro de goma con el agujero de centrado de la rueda de acero en que será montado. La tolerancia de concentricidad debe estar dentro de los 0.05 mm (0.002 in) entre los diámetros. Siga el mismo procedimiento para revestir ruedas usadas que tengan grietas o estén desgastadas irregularmente y estén produciendo huellas de desgastes no uniformes o trapezoidales en las probetas (Fig.2.1). El objetivo es producir una superficie que rote tangente a la probeta sin causar vibraciones o saltos en el brazo de carga. Las huellas de desgaste deben ser de forma rectangular y profundidad uniforme en cualquier sección transversal. La rueda de caucho puede usarse hasta que alcance 215.9 mm (8.50 in) de diámetro producto del desgaste. Los nuevos anillos de goma deben ser montados en los discos de acero por personal calificado. 2.3.10. Procedimiento para el arreglo de la rueda. El procedimiento común para el arreglo de la periferia del aro de caucho es montar una piedra abrasiva en lugar de la probeta y echar a andar la máquina con carga en el brazo hasta que la rueda esté limpia. Otro procedimiento para arreglar la periferia del aro de caucho es montando la rueda en un torno y maquinar esa superficie con una herramienta especial para el maquinado de goma. La rueda vestida debe usarse primero en una probeta de acero con bajo contenido de carbono (AISI 1020 o equivalente) usando el Procedimiento A. Esto produce una superficie lisa, uniforme y no pegajosa. Un método de la preparación alternativo involucra el uso de una esmeriladora de gran velocidad en la porta herramientas de un torno. Tenga cuidado pues el esmerilado a 19.

(27) Capítulo II. Descripción de la máquina y procedimiento del ensayo menudo tiende a sobrecalentar y deformar el caucho, dejando una superficie pegajosa. Esta superficie recogerá partículas de arena durante el ensayo. Si se usa el método del esmerilado, no debe eliminarse más de 0,05 mm (0,002 in) de una sola vez para prevenir el sobrecalentamiento. 2.4. Cálculo y reporte de los resultados. 2.4.1. Los resultados del ensayo de abrasión deben informarse como la pérdida de volumen en milímetros cúbicos, de acuerdo con el procedimiento especificado en el mismo. Por ejemplo, mm3 por el procedimiento de la ASTM. Pueden usarse los resultados de pérdida de masa internamente en los laboratorios para comparar materiales de densidad equivalente, es esencial que todos los que realicen este tipo de ensayo reporten sus resultados uniformemente como la pérdida de volumen en publicaciones y reportes, para que no haya confusiones causadas por la variación de densidad, Se convierte la pérdida de masa a pérdida de volumen con la expresión:. Volumen perdido , mm 3 . masa perdida ( g ) x 1000 densidad ( g / cm 3 ). (2.1). 2.4.2. Ajustando la pérdida de volumen. Cuando la rueda de goma disminuye su diámetro, la cantidad de materia desprendida en un ensayo también se reduce. La pérdida de volumen real producto de esta rueda ligeramente menor, por consiguiente, es inexacta. El valor del “ajuste de la pérdida de volumen” tiene en cuenta esto e indica la proporción de abrasión real que se produciría por una rueda de diámetro 228.6 mm (9.00 in). El valor del ajuste de volumen perdido (AVL) es:. AVL  volumen perdido medido x. 228.6 mm (9.00 in ) diámetro de la rueda después de usada. (2.2). 2.5. Verificación de los parámetros de trabajo de la máquina. Como indica la norma ASTM G 65, antes de realizar el ensayo es necesario verificar los parámetros de trabajo de la máquina (Fig.2.2).. 20.

(28) Capítulo II. Descripción de la máquina y procedimiento del ensayo. Fig.2.2. Máquina usada en el ensayo. 2.5.1. Primeramente, 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 (Figs.2.3 y 2.4). Se pudo constatar que la rueda gira a 208 rpm como estaba previsto.. 21.

(29) Capítulo II. Descripción de la máquina y procedimiento del ensayo. Fig.2.3. Tacómetro láser digital marca SHIMPO DT-205L.. Fig. 2.4. Medición de la velocidad en el eje de la rueda de caucho con el tacómetro láser. 2.5.2 Tamizado de la arena. Para el ensayo se utilizó arena sílice y para su tamizado se utilizaron los tamices No 40 con una apertura de 425 µm y uno 70 con una apertura 212 µm según establece la norma, ver Tabla 2.2. y Fig.2.5. Tabla 2.2. Indicaciones para el tamizado de la arena.. Figura 2.5. Tamices utilizados para cernir la arena. 2.5.3. Posteriormente se verificó el flujo de arena. Para esto se recogió arena del flujo que sale por la boquilla durante un minuto y se pesó en una balanza digital marca “Sartorius” que tiene una precisión de 0.1 g (Fig. 2.6). El flujo de arena es de 315 g/min, lo que está dentro del rango establecido por la norma de 300 a 400 g/min. 22.

(30) Capítulo II. Descripción de la máquina y procedimiento del ensayo. Fig.2.6. Balanza marca “Sartorius” utilizada en la medición del flujo de arena. 2.5.4. 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. Se verificó que en ese punto se aplican 45 N como establece la norma G 65 para el procedimiento D (Figs. 2.7 y 2.8).. Fig. 2.7. Dinamómetro utilizado.. Fig. 2.8. Medición de la fuerza utilizando el Dinamómetro. 23.

(31) Conclusiones parciales Conclusiones parciales  Para la realización del ensayo se selecciona el procedimiento E descrito en la norma ASTM G 65 que tiene como parámetros de trabajo: una fuerza de 130 N, 1000 revoluciones de la rueda de caucho y una distancia lineal de desgaste de 718 m.  Al verificar la velocidad angular del eje de la rueda de caucho se determinó que el mismo gira a 208 rpm, lo que queda dentro del rango establecido de 200 ± 10 rpm.  Se midió el flujo de arena de la máquina en tres etapas, con la tolva llena al 100%, al 50% y con el 20%, en todos los casos se comprobó que el mismo se mantiene constante y es de 315 g/min, lo que está dentro del rango de 300 a 400 g/min.  Para garantizar la fuerza de contacto entre la rueda y la probeta se colocó un dinamómetro en el punto donde hacen contacto estos elementos y se colocaron pesas en el extremo del brazo de carga hasta que se midió exactamente la fuerza necesaria.. 24.

(32) Capítulo III. Desarrollo del ensayo de arena seca con disco de caucho Capítulo III. Desarrollo del ensayo de arena seca con disco de caucho. 3.1. Introducción. En este capítulo se realizará el ensayo de desgaste abrasivo a los cuatro tipos de hierro fundido que se están estudiando. Primeramente, se determinarán las características de dichos materiales, como son la composición química, metalográfica y la dureza. Con posterioridad se realizará el ensayo de desgaste abrasivo utilizando una máquina tipo arena seca disco de caucho.. 3.2. Caracterización de los materiales 3.2.1. Material de las probetas 3.2.1.1. Análisis químico. En la tabla 3.2 se muestra el resultado del análisis químico realizado al material de los cuatro grupos de probetas, en este caso se presentan los valores promedio de los cuatro análisis realizados a cada probeta, en los Anexo 1, 2, 3 y 4 se muestra el análisis completo de cada material. Este análisis fue realizado en la máquina Spektrometrie Opto-Electronik, marca Belec de fabricación alemana (Fig. 3.1.) que se encuentra en Planta Mecánica de Santa Clara.. Figura 3.1. Máquina utilizada en el análisis químico. 25.

(33) Capítulo III. Desarrollo del ensayo de arena seca con disco de caucho Tabla 3.2. Valor promedio de la composición química de los materiales Material. C. Si. Mn. S. Cu. Cr. Mo. V. Mg. Fe. 1. +5.50. 0.57. 0.379. 0.133. 0.047. 0.059. 0.008. 0.009. 0.007. 80.97. 2. 3.55. 2.89. 0.622. 0.247. 0.086. 0.086. 0.007. 0.015. 0.0005. 92.4. 3. 3.46. 2.50. 0.505. 0.210. 0.089. 0.086. 0.007. 0.014. 0.0005. 92.6. 4. 3.67. 2.09. 0.818. 0.277. 0.421. 0.274. 0.026. 0.319. 0.0005. 91.8. 3.2.1.2. Análisis metalográfico. En el análisis metalográfico se utilizó un microscopio tipo Neophot32 (Fig.3.2).. Figura 3.2. Microscopio utilizado en el análisis metalográfico Como resultado del análisis metalográfico se determinó que el hierro fundido correspondiente al material 1 tiene una estructura ferrítica, contiene grafito laminar recto con largo de inclusión entre 60 y 120 μm, tiene una distribución uniforme y su cantidad oscila entre el 5 y 8 % (Fig. 3.3.).. Fig.3.3. Estructura del material 1. 26.

(34) Capítulo III. Desarrollo del ensayo de arena seca con disco de caucho El hierro fundido indicado como material 2 tiene una estructura bainítica con grafito nodular no regular con diámetro entre 15 y 30 μm. Tiene una distribución uniforme y una cantidad de más del 12 % (Fig.3.4).. Fig.3.4. Estructura del material 2. El material 3 tiene una matriz ferrífica-perlítica con grafito vermicular sinuoso, Este tiene una distribución uniforme y una cantidad de hasta el 5 % de grafito nodular (Fig.3.5).. Fig.3.5. Estructura del material 3. El material 4 tiene una matriz perlítica con grafito laminar, con una distribución uniforme y una cantidad entre el 3 y el 5 %.. Fig. 3.6. Estructura del material 4. 27.

(35) Capítulo III. Desarrollo del ensayo de arena seca con disco de caucho También se realizó la medición de la dureza en grados vickers (Tabla 3.3) Tabla 3.3. Dureza de los hierros fundidos Dureza. Material. Dureza (HV). 1. 165. 563. 2. 185. 622. 3. 235. 799. 4. 248. 843. (N/mm2). El resultado de la medición de la dureza también coincide con lo planteado por la literatura como se puede ver, pues esta propiedad es determinada por la estructura de la matriz metálica, siendo la menos dura la ferrítica, sigue la ferrito-perlítica y la más dura es la perlítica [29]. 3.2.2. Fabricación de las probetas. Las probetas de hierro fundido se fabricaron según indicaciones de la norma ASTM G 65 y sus dimensiones son: 7.62 x 2.54 cm (3 x 1 pulg) (Fig. 3.7). Fig. 3.7. Probeta utilizada en el ensayo Las mismas se limpiaron utilizando primeramente detergente, con posterioridad se limpian utilizando xileno. Este producto conocido también como dimetilbenceno es reconocido por sus excelentes propiedades disolventes, pero es nocivo a la salud humana. Por tal motivo se deben tomar medidas de protección para su utilización (Fig.3.8). 28.

(36) Capítulo III. Desarrollo del ensayo de arena seca con disco de caucho. Fig.3.8. Medidas de protección para el trabajo con el xileno. Posteriormente se pesaron utilizando una balanza digital marca SCALTEC que tiene una precisión de 0.0001 g como establece la norma ASTM G 65 para el procedimiento E de este ensayo de abrasión (Fig.3.9).. Fig.3.9. Balanza marca SCALTEC con precisión de 0.0001 g. 29.

(37) Capítulo III. Desarrollo del ensayo de arena seca con disco de caucho En la tabla 3.4. Se muestran los resultados del pesaje de las probetas. Tabla 3.4. Masa inicial de las probetas. Material. 1. 2. 3. 4. Probetas. Masa inicial (g). 1. 80.1537. 2. 61.8012. 3. 79.4254. 4. 79.0523. 1. 34.2320. 2. 34.1088. 3. 37.7720. 4. 26.8377. 1. 28.0366. 2. 35.7443. 3. 34.0291. 4. 36.3192. 1. 96.6849. 2. 104.4626. 3. 93.4409. 4. 100.0486. 3.3. Realización del ensayo. Después de verificados los parámetros de la máquina, se establece la forma en que se realizará el ensayo. Según establece la norma ASTM G 65 para el procedimiento E (Tabla 2.1.) se aplicará una fuerza 130 Newton entre la probeta y la rueda de caucho, tendrá una distancia de abrasión de 718 m, que se alcanza con 1000 revoluciones de la rueda de caucho con 228,6 mm (9 pulg) de diámetro. En la Fig.3.10 se muestra la huella de desgaste en probetas después de terminado el ensayo. Como se puede apreciar, su forma coincide con el caso de la izquierda de la Fig.2.1, que presenta el caso de un ensayo correctamente realizado según la norma ASTM G 65.. 30.

(38) Capítulo III. Desarrollo del ensayo de arena seca con disco de caucho. Fig.3.10 Huella de desgaste en las probetas después del ensayo. En la Fig.3.11 se aprecia una fotografía de la zona desgastada realizada en el microscopio estereoscópico marca NOVEL de fabricación china. Se ve claramente las huellas producidas por las partículas abrasivas al deslizarse sobre la superficie de las probetas de los diferentes tipos de hierro fundido después de terminar el ensayo.. Fig.3.11 Fotos de la zona de desgaste. 3.4. Procesamiento y análisis de los resultados. 3.4.1. Determinación de la pérdida de masa. Para procesar los resultados primeramente se determinó la pérdida de masa que tuvo cada probeta en las mediciones realizadas. Para esto se restaron a los pesajes iniciales los del pesaje final. Estos resultados se reflejan en la Tabla 3.6.. 31.

(39) Capítulo III. Desarrollo del ensayo de arena seca con disco de caucho Tabla 3.6. Pérdida de masa en cada medición. Material. 1. 2. 3. 4. Probetas. Masa inicial (g). Masa final (g). Masa perdida (g). 1. 80.1537. 79.9123. 0.2414. 2. 61.8012. 61.5652. 0.2360. 3. 79.4254. 79.1837. 0.2417. 4. 79.0523. 78.8141. 0.2382. Promedio de la masa perdida material 1. 0,2393. 1. 34.2320. 33.8751. 0.3539. 2. 34.1088. 33.8278. 0.2810. 3. 37.7720. 37.4639. 0.3081. 4. 26.8377. 26.5123. 0.3254. Promedio de la masa perdida material 2. 0,3171. 1. 28.0366. 27.8052. 0.2314. 2. 35.7443. 35.4605. 0.2838. 3. 34.0291. 33.7248. 0.3043. 4. 36.3192. 36.0309. 0.2883. Promedio de la masa perdida material 3. 0,2770. 1. 96.6849. 96.3310. 0.3539. 2. 104.4626. 104.0660. 0.3966. 3. 93.4409. 92.9571. 0.4838. 4. 100.0486. 99.6758. 0.3728. Promedio de la masa perdida material 4. 0,4018. 3.4.1.2. Análisis estadístico Para el procesamiento estadístico se utilizó el software STATGRAPHICS 5.1, Plus, realizándose el análisis de un modelo lineal. Se procesaron los resultados de las mediciones en cada una de las etapas analizadas y se determinaron entre otros los parámetros que se describen a continuación.. 32.

(40) Capítulo III. Desarrollo del ensayo de arena seca con disco de caucho Resumen Estadístico para Material 1 Frecuencia = 4 Media = 0,239325 Mediana = 0,2398 Media geométrica = 0,239313 Varianza = 0,0000074225 Desviación típica = 0,00272443 Error estándar = 0,00136221 Mínimo = 0,236 Máximo = 0,2417 Rango = 0,0057 Asimetría tipi. = -0,42673 Curtosis típificada = -1,20896 Coef. de variación = 1,13838% Esta tabla muestra el resumen estadístico para Col_1. Incluye las medidas de tendencia central, medidas de variabilidad, y medidas de forma. De particular interés están los coeficientes de asimetría y curtosis estandarizados que pueden utilizarse para determinar si la muestra procede de una distribución normal. Los valores de estos estadísticos fuera del rango de -2 a +2 indican alejamiento significante de normalidad que tendería a invalidar cualquier test estadístico con respecto a la desviación normal. En este caso, el valor del coeficiente de asimetría estandarizado está dentro del rango esperado para los datos de una distribución normal. El valor del coeficiente de curtosis estandarizado está dentro del rango esperado para los datos de una distribución normal. Resumen Estadístico para Material 2 Frecuencia = 4 Media = 0,3171 Mediana = 0,31675 Media geométrica = 0,315991 Varianza = 0,00093578 Desviación típica = 0,0305905 Error estándar = 0,0152953 Mínimo = 0,281 Máximo = 0,3539 Rango = 0,0729 Asimetría tipi. = 0,050066 Curtosis típificada = -0,00449411 Coef. de variación = 9,64696% Esta tabla muestra el resumen estadístico para Col_2. Incluye las medidas de tendencia central, medidas de variabilidad, y medidas de forma. De particular interés están los coeficientes de asimetría y curtosis estandarizados que pueden utilizarse para determinar si la muestra procede de una distribución normal. Los valores de estos 33.

(41) Capítulo III. Desarrollo del ensayo de arena seca con disco de caucho estadísticos fuera del rango de -2 a +2 indican alejamiento significante de normalidad que tendería a invalidar cualquier test estadístico con respecto a la desviación normal. En este caso, el valor del coeficiente de asimetría estandarizado está dentro del rango esperado para los datos de una distribución normal. El valor del coeficiente de curtosis estandarizado está dentro del rango esperado para los datos de una distribución normal. Resumen Estadístico para Material 3 Frecuencia = 4 Media = 0,27695 Mediana = 0,28605 Media geométrica = 0,275506 Varianza = 0,000999523 Desviación típica = 0,0316152 Error estándar = 0,0158076 Mínimo = 0,2314 Máximo = 0,3043 Rango = 0,0729 Asimetría tipi. = -1,24481 Curtosis típificada = 1,1401 Coef. de variación = 11,4155% Esta tabla muestra el resumen estadístico para Col_3. Incluye las medidas de tendencia central, medidas de variabilidad, y medidas de forma. De particular interés están los coeficientes de asimetría y curtosis estandarizados que pueden utilizarse para determinar si la muestra procede de una distribución normal. Los valores de estos estadísticos fuera del rango de -2 a +2 indican alejamiento significante de normalidad que tendería a invalidar cualquier test estadístico con respecto a la desviación normal. En este caso, el valor del coeficiente de asimetría estandarizado está dentro del rango esperado para los datos de una distribución normal. El valor del coeficiente de curtosis estandarizado está dentro del rango esperado para los datos de una distribución normal. Resumen Estadístico para Material 4 Frecuencia = 4 Media = 0,401775 Mediana = 0,3847 Media geométrica = 0,398881 Varianza = 0,00329548 Desviación típica = 0,0574063 Error estándar = 0,0287031 Mínimo = 0,3539 Máximo = 0,4838 Rango = 0,1299 Asimetría tipi. = 1,20178 34.

(42) Capítulo III. Desarrollo del ensayo de arena seca con disco de caucho Curtosis típificada = 0,907503 Coef. de variación = 14,2882% Esta tabla muestra el resumen estadístico para Col_4. Incluye las medidas de tendencia central, medidas de variabilidad, y medidas de forma. De particular interés están los coeficientes de asimetría y curtosis estandarizados que pueden utilizarse para determinar si la muestra procede de una distribución normal. Los valores de estos estadísticos fuera del rango de -2 a +2 indican alejamiento significante de normalidad que tendería a invalidar cualquier test estadístico con respecto a la desviación normal. En este caso, el valor del coeficiente de asimetría estandarizado está dentro del rango esperado para los datos de una distribución normal. El valor del coeficiente de curtosis estandarizado está dentro del rango esperado para los datos de una distribución normal. 3.5. Determinación de la pérdida de volumen. Como establece la norma ASTM G 65 el reporte final de este ensayo debe hacerse en función de la pérdida de volumen. Para la determinación de la pérdida de volumen se utiliza la fórmula 2.1 y se trabaja con los valores promedios de la pérdida de masa. Los resultados de este cálculo se muestran en la Tabla 3.7 Tabla 3.7. Pérdida de volumen calculada a partir de los valores promedio. Material. Pérdida. de. Pérdida. masa. volumen. promedio (g). (mm3). 1. 0,239325. 33,2396. 2. 0,3171. 44,0416. 3. 0,27695. 38,4653. 4. 0,401775. 55,8020. de. 3.6. Determinación del coeficiente de desgaste (K). Como se ha planteado anteriormente es muy complicado modelar los fenómenos de desgaste, y es difícil seguir métodos analíticos que se parezcan a las condiciones reales en la práctica [2]. En consecuencia, el modelado del desgaste suele ser de naturaleza experimental, y se hace determinando un coeficiente de desgaste con la ecuación de Archard (en honor de J. F. Archard, 1918-1989): V . K  L W H. (3.1). 35.

(43) Capítulo III. Desarrollo del ensayo de arena seca con disco de caucho Donde V es el volumen gastado, K es el coeficiente de desgaste, L la distancia de deslizamiento, W la fuerza normal entre las superficies y H es la dureza a la penetración. Despejando de 3.1 se llega a la expresión para poder determinar el coeficiente de desgaste K. K. V H W L. (3.2). Para el caso analizado se determinará este coeficiente en los cuatro materiales y los datos son: Datos comunes a los cuatro materiales: W = 130 N L = 718 m = 718000 mm. - Determinación de K para el material 1. Para este material: H1 = 563 N/mm2 V1 = 33.2396 mm3 K1 . 33.2396  563 130  718000. K1 = 2 x 10-4 - Determinación de K para el material 2. Para este material: H2 = 622 N/mm2 V2 = 44.0416 mm3 K2 . 44.0416 * 622 130 * 718000. K2 = 2,93 x 10-4 - Determinación de K para el material 3. Para este material: H3 = 799 N/mm2 V3 = 38.4653 mm3 36.

(44) Capítulo III. Desarrollo del ensayo de arena seca con disco de caucho K3 . 38.4653 * 799 130 * 718000. K3 = 3,29 x 10-4 - Determinación de K para el material 4. Para este material: H3 = 843 N/mm2 V3 = 55,8020 mm3 K3 . 55.8020 * 843 130 * 718000. K3 = 5,039 x 10-4 Como se puede apreciar el coeficiente de desgaste K aumenta del material 1 al 4. Este coeficiente permite estimar el orden y la magnitud del desgaste, además con el mismo es posible calcular el desgaste real [2]. 3.7. Análisis de los resultados Después de revisar los resultados se concluye que no se puede establecer una relación directa entre la composición química, la dureza y la estructura de los hierros fundidos para la pérdida de volumen. Como se plantea en la literatura especializada [29]: “Como la estructura de la fundición consta de base metálica y de grafito, las propiedades de aquella dependerán tanto de las de la base metálica como de la cantidad y el carácter de las inclusiones de grafito.” Es decir que no se puede predecir el comportamiento de una fundición (ante el desgaste abrasivo en este caso) si se tienen diferentes matrices, inclusiones de grafito con diferente estructura, e inclusive si se tienen diferentes combinaciones de matrices e inclusiones. No obstante, el coeficiente de desgaste K si tiene un comportamiento directamente proporcional a la dureza. Es decir, que, aunque el volumen perdido no aumentó en todos los casos en una relación directa con la dureza ni con la cantidad de carbono, el coeficiente de desgaste K si aumentó de una forma directa con el aumento de la dureza. 37.

(45) Capítulo III. Desarrollo del ensayo de arena seca con disco de caucho Es importante tener en cuenta que mientras mayor es el valor de K se producirá un mayor desgaste. En la literatura se plantea que valores entre 10 -3 y 10-4 para este coeficiente son inaceptables en pares tribológicos reales, siendo valores entre 10 -6 y 10-7 los recomendados para aplicaciones ingenieriles [30]. En este caso los valores de K obtenidos, aunque son diferentes y directamente proporcional a la dureza, tiene valores similares, en todos los casos de 10 -4, que es un valor elevado, pero se debe tener en cuenta que son resultado de un ensayo de desgaste abrasivo y no de un par tribológico real.. 38.

(46) Conclusiones parciales Conclusiones parciales  Al realizar el análisis químico se pudo constatar que los cuatro materiales tienen una composición diferente. Si bien los materiales 2, 3 y 4 tienen un contenido de carbono similar y muy diferente al material 1 el resto de los componentes fundamentales tienen una composición diferente, llegando en algunos casos a tener diferencias significativas.  En el análisis estructural se aprecia que todos los materiales tienen una estructura diferente, tanto en la matriz metálica como en las inclusiones de grafito. La dureza se comportó según lo establecido en la literatura, dependiendo fundamentalmente de la matriz metálica.  Al realizar el ensayo de arena seca-rueda de caucho se obtuvieron los valores de la pérdida de masa en las diferentes probetas. Los resultados del ensayo se procesaron estadísticamente y en todos los casos se comprobó que correspondían a una distribución normal. A partir de los valores promedio de la pérdida de masa se calculó la pérdida de volumen como establece la norma ASTM G 65 y posteriormente se determinó para cada material el coeficiente de desgaste K.  De los resultados obtenidos se puede verificar lo planteado en la literatura, es decir que las propiedades de los hierros fundidos (en este caso el volumen de desgaste) dependen de muchas variables como el tipo de matriz, las inclusiones de grafito y de las diferentes combinaciones que se pueden presentar, por lo que es muy difícil predecir como será el comportamiento de los mismos. No obstante, el coeficiente de desgaste sí se comportó de forma directamente proporcional a la dureza, los materiales de mayor dureza tuvieron un coeficiente K mayor lo que implica un mayor desgaste.. 39.

(47) Conclusiones Generales Conclusiones Generales  Del estudio bibliográfico se pudo verificar que los hierros fundidos son utilizados frecuentemente en aplicaciones tribológicas y sus propiedades tienen una influencia significativa en los resultados de su aplicación. Dentro de los ensayos más utilizados para determinar la resistencia al desgaste a diferentes materiales está el conocido como rueda de caucho-arena seca definido por la norma ASTM G 65.  Al realizar el análisis químico se pudo constatar que los cuatro materiales tienen una composición diferente. Si bien los materiales 2, 3 y 4 tienen un contenido de carbono similar y muy diferente al material 1 el resto de los componentes fundamentales tienen una composición diferente, llegando en algunos casos a tener diferencias significativas. En el análisis estructural se aprecia que todos los materiales tienen una estructura diferente, tanto en la matriz metálica como en las inclusiones de grafito. La dureza se comportó según lo establecido en la literatura, dependiendo fundamentalmente de la matriz metálica.  Al realizar el ensayo de arena seca-rueda de caucho se obtuvieron los valores de la pérdida de masa en las diferentes probetas. Los resultados del ensayo se procesaron estadísticamente y en todos los casos se comprobó que correspondían a una distribución normal. A partir de los valores promedio de la pérdida de masa se calculó la pérdida de volumen como establece la norma ASTM G 65 y posteriormente se determinó para cada material el coeficiente de desgaste K.  De los resultados obtenidos se puede verificar lo planteado en la literatura, es decir que las propiedades de los hierros fundidos (en este caso el volumen de desgaste) dependen de muchas variables como el tipo de matriz, las inclusiones de grafito y de las diferentes combinaciones que se pueden presentar, por lo que es muy difícil predecir como será el comportamiento de los mismos. No obstante, el coeficiente de desgaste sí se comportó de forma directamente proporcional a la dureza, los materiales de mayor dureza tuvieron un coeficiente K mayor lo que implica un mayor desgaste.. 40.

(48) Recomendaciones Recomendaciones  Realizar nuevamente los ensayos de desgaste a partir de un diseño de experimentos que tenga en cuenta las diferentes matrices, inclusiones de grafitos y sus combinaciones para poder definir con exactitud la influencia de todas ellas en la resistencia al desgaste de los hierros fundidos.. 41.

(49) Referencias bibliográficas Referencias bibliográficas 1- Brushan B. et al. Modern Tribology Handbook. CRC Press LLC. 2001. 2- ASM Handbook. Volume 18. Friction, lubrication and wear. 1992. 3- Mamani C. “Estudio de resistencia al desgaste por abrasión de aceros de baja aleación, aceros al manganeso e hierros fundidos aleados”. Informe final de investigación. Universidad Nacional del Callao. Perú. 2011 4- Hawk J.A., Wilson R.D., Tylczak J.H., Dogan O.N. Laboratory abrasive wear tests: investigation of test methods and alloy correlation, Wear, Vol 225, 1999. 5- ASTM Standard G65, Standard Test Method for Measuring Abrasion Using The Dry Sand/Rubber Wheel Apparatus, ASTM International, West Conshohocken, PA (2008). 6- ASTM Standard G99, Standard Test Method for Wear Testing with a Pin-on-Disk Apparatus, ASTM International, West Conshohocken, PA. 2008 7- Fonseca Uribe D.A. Abrasión en Tuberías de Alcantarillado. Diana A.Foseca Uribe/ Juan G. Saldarriaga, Tutor. TD; UA (Mec) 2008 8- Valdés Cano E. Estudio del desgaste abrasivo en tuberías de hierro fundido. Tesis de grado. UCLV. 2014 9- Shutov I.D. Estudio del desgaste abrasivo en aceros al carbono según el método de Haworth-Brinell. Problema Trenie y Iznashivanie Vol.2. Pág.108-111. 1972 10- Álvarez G. E. Máquina para el estudio del desgaste abrasivo en pares tribológicos. Revista Construcción de Maquinaria, Año 20, Nº 2, Mayo Agosto. Pág. 69-76. 1995 11- Álvarez G. E. Cianuración de hierros fundidos empleados en chumaceras de telares textiles. Valoración del comportamiento de la resistencia al desgaste de los recubrimientos. Memorias del Evento “METÁNICA 2000”. Soporte Magnético Julio 2000 12- García A., et al. Influencia del carbono y el cromo en el comportamiento tribológico de aleaciones férreas. Revista de Metalurgia. Madrid. Vol. Extr. Pp 493-497. 2005. 13- Kashiev V. N. Aspectos generales sobre el desgaste en masa abrasiva. Problemy Trenia y Iznos Nº 4. Texnica, Kiev, Pág. 53-59. 1976. 14- Kashiev V. N. Desgaste abrasivo de materiales de elevada dureza. Editorial Nauta, Moscú, Pág. 47 – 54. 1970 15- Frumina I. I. Métodos de ensayo a desgaste de materiales depositados por soldadura. Academia de Ciencias de Ukrania, Kiev. Pág. 17-24. 1979 42.

(50) Referencias bibliográficas 16- Goyos L. Influencia del contenido de silicio y el tratamiento térmico en la resistencia al desgaste de fundiciones blancas al cromo en condiciones de rápida solidificación. Revista de Metalurgia. Madrid. Julio-Agosto. Pp 277-289. 2012. 17- Izbenko, Y. A. Máquina de ensayo para la determinación de la resistencia al desgaste de diferentes materiales. Academia de Ciencias de Ukrania, Kiev. Pág. 23-27. 1980 18- Chigaev V. D. Fricción en presencia de tela abrasiva entre superficies metálicas. Construcción de maquinaria Nº2, Pág. 17-22. 1990 19- Zozulia V. D. Manual Práctico sobre Fricción, Desgaste, y Lubricación. Naukova Dumka, Kiev, Pág. 120-125. 1990 20- Rojas-Fernández M., et. al. Efecto de la adición de aluminio en la resistencia al desgaste abrasivo del hierro fundido aleado Ni-Resist. Minería y geología. Vol. 31 pp 38-50. ISSN 1993 8012. 2015 21- Kroja V. A. Evaluación de la exactitud de la magnitud del desgaste bajo ensayos de abrasión. Trenie y Iznos, Tomo 9, Nº 6, Noviembre – Diciembre, Pág. 1128-1133. 1988 22- Kroja V. A. Método para la elaboración de las probetas para el estudio de la resistencia al desgaste de materiales bajo ensayos de abrasión. Trenie y Iznos, Tomo 10, Nº 3, Mayo – Junio, Pág. 502-506. 1990 23- Poliakov A. A. Aspectos fundamentales Relacionados con la determinación de la resistencia al desgaste de materiales bajo ensayos de abrasión y para condiciones de laboratorio. Trenie y Iznos, Tomo 11, Nº 4, Noviembre – Diciembre, Pág. 668-674. 1990 24- Roda Vázquez, C; Loureiro A; Pita Cribeiro J. Comportamiento frente al desgaste abrasivo de las aleaciones con tendencia a la formación de carburos aplicados por soldadura. Universidades de A Coruña, Escola Politécnica Superior de Ferrol http://www.puntex.es/mantenimiento/sumario134.htm. Revista Mantenimiento, Nº 134, Mayo 2000. 25- Kopycinski D. et al. The abrasive wear resistance of chromium cast iron. Archives of Foundry Engineering. Vol. 14, Issue 1. 2014 26- Johnson O. Et al. Effect of silicon additions on the wear properties of grey cast iron. Journal of Minerals and Materials Characterization and Engineering. No. 1. 2013. 43.

(51) Referencias bibliográficas 27- Torres E. et al. Clasificación de los hierros fundidos. Disponible en: http://monografias.umcc.cu/monos/2014/Facultad%20de%20Ciencias%20Tecnicas/mo14 66.pdf 28- Castro G. Fundiciones. Tomado de: http://campus.fi.uba.ar/file.php/295/Material_Complementario/Fundiciones.pdf 29- Guliáev A. Metalografía. Editorial MIR. Moscú. 1983 30- Peterson W. Winer M. Wear Control Handbook. Sponsored by The Research Comitee on Lubrication. New york. 1980. 44.

(52) Anexos Anexos Material 2. MUESTRA: BV C. < x > (1). < x > (1). < x > (1). Si. Mn. P. S. Cr. Mo. Ni. %. %. %. %. %. %. %. %. 3.31. 1.62. 0.484. 0.524. ~ 0.259. 0.0464. Al. Co. Cu. V. W. Pb. Sn. Mg. %. %. %. %. %. %. %. %. 0.00090. 0.0117. 0.101. 0.0243. < 0.0100. < 0.0040. B. Zn. Fe. %. %. %. < 0.00020. < 0.0020. 93.5. Si. Mn. P. S. Cr. Mo. Ni. %. %. %. %. %. %. %. %. 3.00. 1.62. 0.426. 0.642. 0.218. 0.0464. 0.0070. Al. Co. Cu. V. W. Pb. Sn. Mg. %. %. %. %. %. %. %. %. 0.00084. 0.0126. 0.0995. 0.0245. < 0.0100. 0.0044. B. Zn. Fe. %. %. %. 0.0014. 0.0055. 93.8. Si. Mn. P. S. Cr. Mo. Ni. %. %. %. %. %. %. %. %. 3.88. 3.34. 1.02. 0.0798. > 0.288. 0.122. 0.0095. Al. Co. Cu. V. W. Pb. Sn. Mg. %. %. %. %. %. %. %. %. 0.0134. 0.0106. 0.0719. 0.0061. < 0.0100. 0.0121. B. Zn. Fe. %. %. %. 0.0162. 0.0253. 90.8. Material 2. < x > (1). < x > (1). Material 2. < x > (2). < x > (2). < 0.00050. 0.0155. 0.0429. < 0.00050. MUESTRA: EV C. < x > (2). 0.0131. 0.0403. MUESTRA: DV C. < x > (1). 0.0054. 0.0092. 0.0747. < 0.00050. 45.