Caracterización de hierro fundido aleado al cobre para su aplicación en cojinetes de deslizamiento

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(1)Facultad de Ingeniería Mecánica Centro de Investigación de Soldadura. Trabajo de Diploma Título: Caracterización de hierro fundido aleado al cobre para su aplicación en cojinetes de deslizamiento.. Diplomante: Randy Águila López Tutor: Dr. Amado Cruz Crespo Dr. Arnaldo Herrera Artiles Ing. María de las Mercedes Rodríguez. Santa Clara 2012 1.

(2) Dedicatoria. A mis padres, por enseñarme a luchar por mis sueños. A la Troty, por ser una hermanita maravillosa. A Mailen, por todo su amor. 2.

(3) Agradecimientos. Le agradezco a mi familia, especialmente a mi novia que me apoyó y ayudó en el desarrollo de este trabajo; también le agradezco a mis tutores, y a todo aquel que de una forma u otra contribuyó en el transcurso de estos cinco años de carrera. 3.

(4) RESUMEN. En el trabajo se realiza la caracterización de hierros fundidos para su empleo en cojinetes de deslizamiento.. A las aleaciones bajo estudio se les determinó la. composición química, le fue realizada la caracterización metalográfica así como la determinación. de la dureza y la microdureza. Fue realizado además, un estudio. comparativo de comportamiento al desgaste adhesivo de las aleaciones bajo condiciones de lubricante sin contaminar y contaminado. En base a los resultados de la caracterización se analizan las relaciones de la composición con la microestructura y las propiedades, sobre todo el efecto del cobre como elemento de aleación. Se concluye en el trabajo que las aleaciones que mejor desempeño presentan en las condiciones de desgaste con lubricante sin contaminar, son a su vez, las mejores en condiciones de lubricante contaminado.. 4.

(5) ABSTRACT. The paper makes the characterization of cast iron for use in sliding bearings. In the alloys under study it was determined the chemical composition, was performed metallographic characterization and determination of the hardness and microhardness. It also performs a comparison of adhesive wear behaviour of the alloys under conditions of uncontaminated and contaminated lubricant. Based on the results of the characterization analyzes the relationship of the composition with the microstructure and properties, especially the effect of copper as an alloying element. Work is concluded that alloys exhibit better performance in the conditions of wear without contaminating lubricant, are themselves the best in conditions of contaminated lubricant.. 5.

(6) ÍNDICE INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... 1 Capítulo 1: Fundamentación teórica .............................................................................. 3 1.1- Generalidades sobre las fundiciones ....................................................................... 3 1.2- Clasificación de las fundiciones ............................................................................... 5 1.3 - Fundiciones aleadas ............................................................................................. 10 1.4 - Influencia de la composición química en la estructura y las propiedades de la fundición........................................................................................................................ 14 1.4.1- Influencia de los elementos de aleación. ....................................................... 16 1.5 Generalidades sobre el desgaste ........................................................................... 25 1.6- Particularidades de la Norma ASTM G77 de ensayos de desgaste adhesivo ....... 29 Capítulo 2: Materiales y Métodos.................................................................................. 31 2.1- Introducción ........................................................................................................... 31 2.2- Selección y extracción de las probetas .................................................................. 31 2.3 Determinación de la composición química .............................................................. 32 2.4- Análisis metalográfico ............................................................................................ 33 2.5 - Medición de microdureza y la dureza ................................................................... 35 2.6 - Ensayos de desgaste y determinación del desgaste relativo................................ 36 2.6.1- Preparación de la muestra para el pesaje antes y después del ensayo ........ 38 2.6.2- Condiciones establecidas para los ensayos de desgaste .............................. 39 Capítulo 3: Resultados y análisis ................................................................................. 40 3.1- Análisis químico ..................................................................................................... 40 3.2- Análisis metalográfico ............................................................................................ 41 3.3- Análisis de dureza ................................................................................................. 47 3.4- Análisis de desgaste .............................................................................................. 50 CONCLUSIONES GENERALES ..................................................................................... 56 RECOMENDACIONES .................................................................................................... 57 REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA..................................................................................... 58. 6.

(7) INTRODUCCIÓN Cuba es un país en perspectiva de desarrollo e incremento productivo. Por ello, se le ha dedicado especial atención al desarrollo. de la industria de la construcción de. maquinarias, tanto en la agricultura, construcción, el transporte, así como en la industria azucarera, lográndose la sustitución de algunas importaciones por producciones nacionales de calidad. Es evidente que el desgaste que predomina en estas maquinarias es el abrasivo, a lo cual están sometidos como ejemplo, los órganos de trabajo de los aperos de labranza. No obstante, otros mecanismos de desgaste para determinadas condiciones pueden ser determinantes, ya que en estas máquinas muchos componentes están sometidos al contacto con determinados medios (jugos de frutas, por ejemplo, en el caso de equipos de procesamiento). Dentro de los múltiples componentes que se desgastan con relativa frecuencia, los cojinetes de deslizamiento constituyen unos de los elementos que inciden sobre las pérdidas por desgaste, por lo que aumentar su durabilidad y buscar alternativas de producción nacional es un empeño permanente dentro del sector metalmecánico del país [1]. El presente trabajo tiene como finalidad realizar un estudio de caracterización de hierros fundidos para su posible aplicación. en componentes de maquinaria,. específicamente, en cojinetes de deslizamiento, valorando si tales aleaciones son adecuadas para funcionar en condiciones de trabajo, donde el desgaste es un factor importante a tener en cuenta para garantizar el buen desempeño de las mismas. Situación Problemática: Los cojinetes de deslizamiento son ampliamente usados en diversos equipamientos, entre los cuales los constituidos por pares acero-hierro son de frecuente aplicación. En muchos casos, por razones asociadas a diferentes causas, el desgaste del componente de hierro es más acelerado que lo esperado, llevando a paradas y pérdidas por no producción o servicio, denotándose que los materiales usados no responden adecuadamente a las condiciones de servicio. 1.

(8) Problema Científico: Se desconoce el efecto del contenido de Cu en fundiciones grises sobre la microestructura, la microdureza de la matriz, la dureza y el comportamiento al desgaste adhesivo en pares de deslizamiento con acero. Hipótesis: Es posible establecer el efecto del contenido de Cu sobre el comportamiento al desgaste adhesivo de fundiciones grises en pares de deslizamiento con acero y sus nexos con la microestructura, la microdureza de la matriz y la dureza. Objetivo: Establecer el efecto del Cu sobre el comportamiento al desgaste adhesivo del hierro fundido gris en pares de deslizamiento con acero, explicado a partir de su relación con la microestructura, la microdureza de la matriz y la dureza. Objetivos específicos: 1. Establecer el efecto del contenido de Cu sobre la microestructura, la microdureza de la matriz y la dureza. 2. Establecer el efecto del contenido de Cu en fundiciones grises sobre el comportamiento al desgaste adhesivo en pares de deslizamiento con acero bajo condiciones de lubricación sin contaminar y contaminada. Tareas: 1. Revisión bibliográfica sobre hierros fundidos y los fenómenos inherentes al desgaste adhesivo. 2. Selección y preparación de muestras para análisis químico, metalográfico y desgaste. 3. Caracterización química y metalográfica de las aleaciones. 4. Determinación de microdureza de la matriz y dureza Brinell de las aleaciones. 5. Realización de ensayos de desgaste de las aleaciones por el método ¨Block on Ring¨ en condiciones de lubricación contaminada y sin contaminar.. 2.

(9) Capítulo 1: Fundamentación teórica 1.1- Generalidades sobre las fundiciones 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 [2]. El hierro fundido gris es una aleación ferrosa, contiene en general más de 2% de carbono y más de 1% de silicio, además de manganeso, fósforo y azufre. Una característica distintiva del hierro gris es que posee carbono en forma de grafito, adoptando formas irregulares. Este grafito es el que le da la típica coloración gris a las superficies de fracturas en las piezas elaboradas con este material. Las propiedades físicas y en particular las mecánicas varían dentro de amplios intervalos respondiendo a factores como la composición química, rapidez del enfriamiento después del vaciado, tratamiento térmico y parámetros microestructurales como la naturaleza de la matriz y las formas y tamaño de grafito. La fundición difiere del acero por su composición (mayor contenido de carbono) y por sus propiedades tecnológicas (mejores cualidades para la fundición, poca actitud para las deformaciones plásticas). En condiciones ordinarias no puede forjarse. La insuficiencia fundamental de la fundición gris radica en su baja resistencia ante el desgaste erosivo-corrosivo debido a sus bajas propiedades mecánicas y la presencia del grafito laminar que debilita la base metálica, siendo además su entalle, concentrador de tensiones y punto de inicio y desarrollo de microgrietas, aunque por otra parte, su costo es bajo. De acuerdo con el diagrama hierro-carbono (figura 1.1) [3-6] en el caso de equilibrio estable todo el carbono en la fundición se desprende en forma de grafito y la matriz metálica en forma de ferrita y perlita; para el equilibrio meta estable todo el carbono se desprende en la fundición en forma de cementita Fe3C (fundición blanca). 3.

(10) Figura 1.1 Diagrama de estado hierro-carbono. La fundición gris contiene carbono en forma de grafito y cementita que se halla en la perlita. Las propiedades de la fundición gris dependen en gran parte de la cantidad de grafito, perlita y ferrita, como también de la forma y tamaño de las inclusiones de grafito. Las inclusiones de grafito debilitan la sección transversal de la matriz metálica en la dirección perpendicular a la aplicación de la fuerza de extensión externa y ejerce una acción "de entalla" en la matriz metálica. El grafito reduce la resistencia de la fundición a la tracción, como también la elasticidad y la ductilidad (alargamiento relativo, resiliencia). Es posible reducir la influencia negativa del grafito en estas propiedades disminuyendo la cantidad y las dimensiones de las inclusiones así como la aproximación máxima de su forma a la esferoidal. A diferencia del acero, la fundición posee una baja sensibilidad a las entallas. Las entallas que aparecen en la fundición (sopladuras, poros, inclusiones no metálicas, trazos que se forman durante el maquinado por corte, etc.) disminuyen en grado pequeño la resistencia de la estructura de la fundición. Esta particularidad de la fundición se explica por la existencia de un gran número de entallas, creadas por las inclusiones de grafito. 4.

(11) 1.2- Clasificación de las fundiciones En dependencia del estado en que se encuentra el carbono en la fundición, se distingue: 1. La fundición blanca, en la cual todo el carbono se halla en estado ligado en forma de carburos. 2. La fundición gris, en la cual el carbono se encuentra en alto grado o en su totalidad en estado libre en forma de grafito laminar. 3. La fundición de alta resistencia, en la cual el carbono, en grado considerable o en su totalidad se halla en estado libre formando grafito esferoidal. En esta, el grafito se cristaliza en las aleaciones modernas de alta resistencia, llamadas también nodulares. El grafito toma forma esférica o de nódulo, producto de un procedimiento especial de inoculación de elementos, con el magnesio y el cerio. 4. La fundición maleable que se obtiene por recocido (maleabilización) de la fundición blanca. Este grafito tiene forma compacta casi equiaxial, pero no es redondo como el esferoidal. Se denomina también grafito de recocido.. La fundición blanca (figura 1.2) [7] recibió este nombre por el aspecto de su fractura, que tiene un color blanco mate. Está compuesta de perlita y cementita estructuralmente libre (P+C), el carbono se halla en esta, en forma de composición química con el hierro y el grado de grafitización es nulo.. La fundición blanca posee una alta dureza,. fragilidad y prácticamente no es posible trabajarla con herramientas de corte, por lo que es poca su utilización en la construcción de máquinas, solo en aquellos casos cuando la pieza trabaja al desgaste (mandíbulas para las trituradoras de piedra, bolas rompedoras, zapatas de freno para vagones, etc.). La superficie de trabajo de las piezas debe tener la estructura de la fundición blanca, mientras la parte central, como la más resistente, debe poseer la estructura de la fundición gris. Estas molduras se llaman templadas al aire. La fundición blanca pobre en carbono y la pobre en silicio también se emplean para la producción maleable. Inicialmente las molduras se. 5.

(12) producen de fundición blanca, luego estas son expuestas a tratamiento térmico, recocido, y se obtiene la fundición maleable.. Figura 1.2 Fundiciones blancas: a) hipereutéctica; b) eutéctica; c) hipoeutéctica. La fundición gris [8] es el más empleado, con una producción anual superior al resto de los metales fundidos. Tiene por lo general grafito laminar, su presencia le proporciona características como la baja resistencia a la tracción, al impacto y a la abrasión, y muy baja ductibilidad. Sin embargo, presenta propiedades excelentes como la colabilidad, facilidad para el maquinado y la amortiguación de vibraciones. Se emplea en la fabricación de carcazas, bloques, cuerpos de válvulas, maquinaria agrícola y bancada de máquinas de herramientas. Por la estructura de la base metálica, las fundiciones se dividen en cuatro tipos: La fundición gris perlitocementítica (P+C+G) consta de perlita, inclusiones de cementitas estructuralmente libre y grafito laminar. Es posible obtener esta estructura con un reducido contenido de silicio en la fundición y un rápido enfriamiento de las piezas en el molde. Estas fundiciones poseen una elevada resistencia y se labran mal con cuchillas. Mediante la inoculación con magnesio o cerio es posible obtener una fundición de alta resistencia con una estructura perlitocementítica y grafito esferoidal. 6.

(13) La fundición gris perlítica (P+G) se compone de perlita y grafito laminar, después de la inoculación con magnesio o cerio (figura 1.3) [9], de perlita y grafito esferoidal. Generalmente, la fundición perlítica contiene grafito de láminas pequeñas y tiene una dureza moderada (HB 200-300), alta resistencia mecánica y resistencia al desgaste y se labra bien con cuchillas. La fundición gris perlítica con grafito esferoidal posee una resistencia mecánica aun mayor, por eso se llama de alta resistencia.. Figura 1.3 Fundición gris perlítica: con grafito laminar (izq.); con grafito esferoidal (der.). La fundición gris perlitoferrítica (P+F+G) está compuesta de perlita, ferrita y grafito laminar (figura 1.4, a) [9]. La resistencia de la fundición perlitoferrítica es inferior a la de la perlítica, puesto que las láminas de grafito en estas son mayores. Su dureza es inferior y se labra con más facilidad por corte. La estructura P+F+G con grafito laminar con más frecuencia se encuentra en las molduras de fundición corrientes, utilizadas en la construcción de máquinas.. a). b) Figura 1.4 Fundición gris a) perlitoferrítica; b) ferrítica. 7.

(14) La fundición gris ferrítica (F+G) consta de ferrita y grafito laminar (figura 4, b), se obtiene siendo alto el contenido de silicio y carbono en las molduras de paredes gruesas y su lento enfriamiento en el molde. Las inclusiones de grafito son muy grandes. La fundición ferrítica posee propiedades mecánicas bajas, es muy blanda, frágil, se desgasta con rapidez, pero se maquina con facilidad. Esta fundición no es aceptable en la construcción de máquinas.. Figura 1.5 Microestructura de la fundición con diversa forma de grafito. a) Forma laminar del grafito (fundición gris ordinaria); b) esferoidal (fundición de alta resistencia); c) rosetas (fundición maleable). El grafito de las fundiciones puede tener tres formas principales [10]: Grafito laminar. En la fundición gris ordinaria toma el grafito la forma de vetas pequeñas; este grafito se llama laminar. En la figura 1.5, a) se muestra la estructura de la fundición ferrítica ordinaria con vetas de grafito; la vista espacial de estas inclusiones de grafito se reproduce en la figura 1.6, a). Grafito esferoidal. En la búsqueda del aumento del módulo de elasticidad del hierro surgió hace relativamente pocos años el hierro esferoidal el cual es de mayor elasticidad y resistencia mecánica que las fundiciones grises y se utilizan en piezas donde la ductibilidad es de mucha importancia (Piñones, ejes cigüeñales, válvulas y cuerpos de bombas para alta presión, tubería), llamado por algunos autores como hierro dúctil, por el incremento que sufre esta propiedad. Sin embargo estas aleaciones 8.

(15) no son las más utilizadas en el caso donde las piezas producidas son empleadas en condiciones donde predomina el desgaste abrasivo, donde el hierro blanco presenta un mejor comportamiento y aún superior los hierros de elevada aleación, pero estos últimos tienen el gran inconveniente de ser prácticamente no maquinables [10]. En la figura 1.5, b) se ve la microestructura de la fundición gris con grafito esferoidal, y en la figura 1.6, b), la fotografía de una inclusión de grafito.. Figura 1.6 Aspecto exterior de las inclusiones de grafito en la fundición: a) inclusiones laminares; b) esferoidales. Grafito nodular. Con el objetivo de mejorar la baja resistencia a la tracción del hierro gris, fue inventado el hierro maleable, el cual se obtiene a partir de la fundición blanca aprovechando la inestabilidad de la cementita. se somete a recosido para. descomponerla, el grafito que se obtiene toma una forma compacta, casi equiaxial, pero no redonda con matriz perlítica, pero el costo de estas producciones es muy superior al del hierro gris [10]. Por lo tanto, la fundición con grafito laminar se llama fundición gris ordinaria, la fundición con grafito esferoidal, fundición de alta resistencia, y la fundición con grafito nodular, fundición maleable. La plasticidad de la fundición atendiendo a la forma del grafito se caracteriza por los siguientes valores del alargamiento relativo [10], en %: 9.

(16) Grafito. Laminar. Nodular. Esferoidal. ∆, %. 0.2-0.5. 5-10. 10-15. Figura 1.7 Clasificación de la fundición atendiendo a la estructura de la matriz metálica y a la forma de las inclusiones de grafito. La plasticidad depende poco de la estructura del metal básico. La dureza HB, determinada por la estructura de la base metálica tiene los valores siguientes: Fundición. Ferrítica. Dureza HB. 150. Ferrito-perlítica 200. Perlítica 250. 1.3 - Fundiciones aleadas Los elementos de aleación mejoran las propiedades mecánicas, la resistencia al desgaste, la piroresistencia, las propiedades de antifricción y otras de la fundición. En dependencia del contenido de elementos de aleación las fundiciones se dividen en de baja aleación (hasta el 3% de elementos de la aleación); de alta aleación (más del 10% de los elementos de la aleación) [6, 7] . En calidad de elementos de aleación para la fundición se utiliza el níquel, cromo, molibdeno, manganeso, aluminio, cobre y titanio.. 10.

(17) Las que mayor aceptación han obtenido en la construcción de maquinaria son las fundiciones de baja aleación. Fundiciones de construcción de baja aleación. Las fundiciones aleadas al cromo níquel de diversas marcas contienen 0.3-0.4% de Cr y 0.1-2% de Ni. En la carga se introduce hasta un 8% de fundición de combinado de Orsko-Jalilosvsk, la cual contiene en término medio 1% de Ni y 2.5-2.7% de Cr. La fundición aleada con 0.25-0.35% de Cr y 0.25-0.35% de Ni se emplea para la elaboración de los bloques de cilindros para automóviles, tambores de freno, bancadas para máquinas y otras molduras importantes en la construcción de maquinaria. Estas fundiciones tienen altas propiedades mecánicas y buena resistencia al desgaste. En la fundición de baja aleación la eficacia de la aleación se determina por la presencia del cromo. En las molduras de paredes delgadas de fundición al cromo - níquel con un contenido de 0.3-0.4% de Cr y 0.1-2% de Ni es posible en temple al aire, por eso en estos casos la fundición líquida se inocula con ferrosilicio, silicocalcio o grafito. Los aros de pistones para automóviles se elaboran de fundición de baja aleación, con un contenido en %: 3.8-3.9 de C; 2.4-2.6 de Si; 0.2-0.1 de Cr; 0.15-0.25 de Ni; 0.35-0.5 de Cu; 0.1-0.2 de Ti. Para obtener una fundición con esta composición, en la carga se introduce arrabio al titanio - cobre que contiene en pequeñas cantidades elementos de aleación: cromo, níquel, cobre y titanio. Los grandes tambores de freno para automóviles y aviones se fabrican de fundición que contiene en %: 3.8 de C; 1.35 de Si; 2.0 de Ni; 0.25-0.35 de Cr; 0.4-0.5 de Mo. La resistencia a la tracción de la fundición es igual a 274 Mpa (28 kgf/mm2). Esta fundición de baja aleación tiene una estructura homogénea y se maquina bien. Las fundiciones resistentes al desgaste se emplean para molduras que trabajan en condiciones de elevado desgaste (para cojinetes, cilindros, bujes, tambores de freno y otros). Con el propósito de lograr una elevada resistencia al desgaste la fundición se alea con elementos que contribuyen a la creación de carburos resistentes al desgaste (cromo, molibdeno y otros). La fundición tipo Nihard tiene una composición en %: 2.73.6 de C; 0.4-1 de Si; 0.25-0.7 de Mn; 3.0-5 de Ni; 1.2-2.8 de Cr; <<0.15 de Si; << 0.4 de P. 11.

(18) La fundición resistente al desgaste se emplea para moldes para cerámica, los rodillos de transportadores, bolas rompedoras, etc. La fundición Nihard tiene una estructura martensítica, que posee elevada resistencia al desgaste, una gran contracción lineal (hasta el 2%) y bajas propiedades de fundición, como las fundiciones blancas. Fundiciones no magnéticas. Estas son fundiciones de alta aleación que contiene en calidad de elementos de aleación principales el níquel, manganeso, cobre y aluminio. Al añadir estos elementos la fundición tendrá estructura austenítica. En el caso de alear la fundición con níquel y manganeso al contenido aproximado de carbono en estas para obtener la estructura austenítica debe satisfacer la igualdad [% Ni] + 2.5 [% Mn] + 1.8 [% C] = 33 Las fundiciones no magnéticas contienen un 9-12% de Ni; la adición de 2% de Cu da la posibilidad de reducir el contenido de níquel. A consecuencia de la escasez de níquel se han elaborado fundiciones con un contenido de aluminio hasta el 20-30% de Al. Fundiciones resistentes a la corrosión. Las fundiciones pobres en cromo se caracterizan por una elevada resistencia a la corrosión en agua de mar y corriente. Las fundiciones aleadas con 0.5-1% de Ni, poseen una alta resistencia en álcalis. Tienen una resistencia en álcalis aun más elevada las fundiciones aleadas con cromo y níquel (de a 0.5-1% cada uno). Las fundiciones aleadas con cobre y antimonio en cantidad de 0.8% cada uno poseen elevada resistencia a la corrosión en ácido muriático (en 20-30 veces más que las fundiciones no aleadas). Ocupan un lugar especial entre las aleaciones resistentes a la corrosión los ferrosiliciuros. Estos son aleaciones con un contenido de 14.5-18% de Si, con un contenido de carbono de cerca del 0.5%. Las fundiciones con alto contenido de silicio del tipo de los ferrosiliciuros tienen buena fluidez, son resistentes al desgaste, frágiles y se labran con dificultad, tienen una gran contracción lineal (1.7-2.3%) y una dureza Brinell HB 2740-4500 Mpa (300-460 kgf/mm2).. 12.

(19) Estas aleaciones tienen una elevada resistencia a la corrosión en ácido sulfúrico de cualquier concentración. Su elevada estabilidad química está determinada por la creación de una película protectora de sílice SiO2 a consecuencia de la acción del ácido sobre la moldura. En el ácido muriático caliente y algunas otras substancias la película de SiO2, que protege las molduras de aleaciones ricas en silicio de la corrosión, se destruye. En estos casos se emplean fundiciones al silicio-molibdeno, llamadas anticloros. En estas fundiciones se añade adicionalmente un 3.5-4% de Mo. Poseen una resistencia elevada a la corrosión las fundiciones de estructura austenítica. Por ejemplo la fundición nirezita. Esta tiene una elevada estabilidad química o temperatura normal en ácido sulfúrico, fórmico, acético, en sosa cáustica y en algunas sales y álcalis, como también en agua de mar. La composición de la nirezita es en %: 0.4 de P; hasta 0.12 de S; 12-16 de Ni; 6-8 de Cu; 1.5-4 de Cr. Estas fundiciones tienen una elevada resistencia al desgaste y estabilidad térmica; se utilizan para camisas de bloques, cilindros para motores de automóviles. Las fundiciones termorresistentes se emplean para molduras que trabajan a temperaturas de hasta 600º C bajo carga. Para elevar la termorresistencia de la fundición en esta se introducen adiciones de aleación: níquel, cromo y molibdeno. La estructura de estas fundiciones debe ser austenítica-grafitica; el grafito debe ser esferoidal. Las molduras son expuestas a tratamiento térmico por el régimen de calentamiento hasta 1030-1050º C, una exposición de 2-4 h, la normalización y el posterior revenido a 550-620º C. Las fundiciones refractarias son capaces de ejercer resistencia al crecimiento (≤2%) y a la formación de cascarilla [≤0.5g/ (m2*h)] a la temperatura prefijada durante 150 h. Las molduras de fundición que trabajan a altas temperaturas se destruyen no solo a causa de la insuficiente resistencia al fuego, sino que también a causa del aumento de su volumen, el cual puede alcanzar el 10% y sucede al calentarse a más de 400º C. En este caso las molduras de fundición se deforman, en esta se crean grietas y estas quedan fuera de servicio. El aumento del volumen de la fundición se explica por el hecho de que la cementita, que se halla en la fundición se desintegra separándose el grafito. Cada tanto por ciento de carbono, que se encuentra en la fundición en forma de 13.

(20) cementita, al desintegrarse aumenta el volumen aproximadamente en un 2.5%, puesto que los gases que oxidan la fundición, penetran junto a los desprendimientos de grafito. La penetración de los gases a la fundición y su oxidación será tanto mayor, cuanto más grueso sea el grafito que se desprende en la fundición al desintegrarse la cementita. De esta manera, para molduras de fundición con elevada resistencia al fuego y resistencia al crecimiento es necesario elegir una composición química de la fundición tal, que en las molduras pueda crearse una película de protección estable que impida la penetración de los gases en el metal, en este caso, se excluye la desintegración de la cementita. La fundición que contiene un 5% de Al se llama silal, la fundición con un contenido de 19-25% de Al, shugal. El silal tiene baja resistencia mecánica y resiliencia, es propenso a la creación de grietas. Al añadir en el silal manganeso o cromo mejoran sus propiedades mecánicas y al adicionar cobre se eleva la resistencia a la formación de cascarilla y mejora la fluidez. Posee una resistencia muy elevada a la formación de cascarilla y al crecimiento la fundición (silal) con grafito esferoidal. El chugal se distingue por su elevada resistencia al fuego, se labra bien por corte y posee propiedades de fundición comparativamente satisfactorias. Este tiene una gran contracción, el volumen de los rechupes de contracción forma un 3-7% con un contenido de 18-23% de Al en la fundición. La contracción lineal del chugal con un contenido de 25% de Al constituye un 2.4-2.6%. El chugal con grafito esferoidal posee una resistencia al fuego más elevada que la fundición gris con grafito esferoidal. Esta fundición con frecuencia se utiliza para fabricar crisoles para aleación de aluminio.. 1.4 - Influencia de la composición química en la estructura y las propiedades de la fundición Por el contenido de carbono las fundiciones se dividen en hipoeutécticas, eutécticas y hipereutécticas [8]. Durante la solidificación de las fundiciones hipoeutécticas en primer lugar, se separa la fase rica en carbono, es decir, el grafito primario o la cementita primaria. La solidificación de la eutéctica tiene lugar a temperatura constante. La 14.

(21) composición de la eutéctica y la temperatura de transformación eutéctica dependen del sistema en que transcurre: en el estable o metaestable. La estructura de la fundición se forma definitivamente durante la transformación eutectoide [11]. Durante la cristalización de la fundición gris al momento de la transformación eutectoide los componentes estructurales principales son la austenita y el grafito, que se forma durante la transformación eutéctica y se desprende de la austenita al enfriarse en el intervalo de temperaturas desde la transformación eutéctica a la eutectoide. Durante la transformación eutectoide tiene lugar el reagrupamiento de los átomos de hierro de la red cúbica de caras centradas γ - Fe en cúbica centrada en el volumen α - Fe y la separación difusiva del carbono del hierro. Como resultado de la transformación se crean estructuras, compuestas de ferrita y de la fase rica en carbono. Al enfriarse lentamente el carbono se separa en forma de grafito. En este caso la estructura definitiva de la fundición será ferrita+grafito (F+G). En el diagrama (véase la figura1.1) además, de Fe -Fe3C se han marcado las líneas de trazo del sistema Fe–C. El diagrama Fe-C es parecido al diagrama Fe-Fe3C, pero sus líneas están un poco desplazadas hacia la izquierda y hacia arriba. Los puntos característicos en el diagrama Fe-C están designados con las mismas letras que en el diagrama Fe-Fe3C, pero con apóstrofe. Por la línea C´D´ tiene lugar la precipitación del grafito primario, por la línea E´C´F´, la solidificación de la eutéctica de grafito, esta es una mezcla mecánica de austenita y grafito. Durante el enfriamiento posterior hasta la línea P´S´K´ se desprende la mezcla eutectoide compuesta de ferrita y grafito. Las fundiciones en las cuales el carbono se separó completamente en forma de grafito, se llaman ferríticas, puesto que su matriz metálica la compone la ferrita. El carbono se desprende en forma de grafito solo en el caso de enfriamiento muy lento. Siendo rápido el enfriamiento en el proceso de cristalización (primaria y secundaria) no se desprende el grafito sino cementita. Al aumentar algo la velocidad de enfriamiento, cesa la separación de eutectoide de grafito hasta la línea P´S´K´ y el carbono restante pasa (por la línea PSK) a cementita y como resultado, se forma cierta cantidad de perlita. Esta fundición tendrá la estructura ferrita, perlita e inclusiones de grafito (F+P+G), y se llama hierro fundido gris [12]. 15.

(22) Si se continua elevando la velocidad de enfriamiento hasta la línea P´S´K’ no se desprende el eutectoide de grafito, y la austenita por la línea PSK se convierte en perlita. Esta fundición tendrá la matriz: perlita e inclusiones de grafito en forma de escamas, se denomina perlítica y tiene una estructura perlita + grafito (P+G). Al aumentar la velocidad de enfriamiento entre las líneas de transformación eutéctica y eutectoide de la austenita aun antes de la perlita se separará no grafito sino cementita. Esta fundición tiene la estructura perlita-cementita secundaria-grafito (P+C+G) y se llama perlito-cementítica. A veces en la estructura de la fundición a la par del grafito se halla la ledeburita (al aumentar la velocidad de enfriamiento y en el caso de transformación eutéctica). Esta fundición se llama atruchada. La fundición blanca está completamente sin grafitizar, el carbono se encuentra en esta en forma de compuesto químico con el hierro. La estructura de la fundición blanca se compone de perlita y cementita libre estructuralmente (P+G). Las fundiciones se consideran eutécticas si estas contienen un 4.2-4.3% de C. al haber muchos componentes es posible la creación en la fundición de eutécticas complejas. Por ejemplo, el fósforo (con un contenido en la fundición de >0.06-0.08%) forma con el hierro y el carbono una eutéctica de fosfuro, que se solidifica a 950ºC. La dimensión y la forma de las inclusiones de grafito dependen de la existencia en la fundición líquida de centros de cristalización, de la velocidad de enfriamiento y el contenido de impurezas grafitizantes. Cuanto mayor es la cantidad de partículas pequeñas insolubles en la fundición líquida (centros de cristalización), tanto más fino será el grafito. Para elevar la cantidad de centros de cristalización antes de la colada en la fundición líquida se introducen inoculantes: grafito, silicio, silicocalcio, aluminio y otros. Al disminuir el tiempo de cristalización y elevar el contenido de componentes grafitizantes en la fundición, las láminas de grafito se hacen más grandes y se alargan. 1.4.1- Influencia de los elementos de aleación. En las aleaciones de Fe se tienen en cuenta en primer orden el nivel de los elementos adicionados y su efecto sobre la matriz y la forma en que se presenta el carbono, 16.

(23) elemento que después del hierro define las estructuras que aparecen en las aleaciones y esto se debe a que los elementos de aleación tienen una importancia decisiva pues ellos modifican la situación de los puntos críticos y ejercen una acción importante y compleja en el proceso de grafitización [13]. Se pueden clasificar de acuerdo a su efecto sobre el proceso de grafitización en agentes grafitizantes o agentes formadores de carburos. Dentro de estos últimos se encuentran los elementos de transición del tercer período con el nivel 3d menos ocupado que el hierro, entre ellos se encuentra el manganeso, el vanadio, el cromo y el titanio, así como elementos de transición de otros períodos como el molibdeno y el wolframio. En el caso particular del titanio, es formador de carburos cuando se encuentra por encima de 0,12%, pues por debajo de ese valor se comporta como un agente grafitizante. Los elementos con orbitales 3d más ocupados que el hierro se conducen como agentes grafitizantes, son elementos representativos de esto el aluminio, el silicio y el fósforo, de una importancia práctica especial en la metalurgia del hierro fundido. El silicio reduce la solubilidad del carbono en las soluciones líquidas y sólidas, contribuye a la formación de grafito, por eso al aumentar su contenido se reducen las propiedades mecánicas de las funciones ricas en carbono a consecuencia de la formación de grandes inclusiones de grafito [13]. El grado de eutecticidad de la fundición se determina por la parte de la eutéctica en su estructura. En caso de transformación en el sistema metaestable, el grado de eutecticidad se halla por la fórmula: . Se =. C−2 C−2 = 4,3 − 2 2,3. donde C es el contenido de carbono en la fundición. Al aumentar el carbono equivalente Ce aumenta la calidad del grafito, se reduce la cantidad de grafito y su grado de dispersión, se acrecientan las inclusiones de grafito, lo que reduce la resistencia de la fundición.. 17.

(24) El proceso de grafitización y la microestructura de la fundición se puede determinar por dos factores fundamentales: la velocidad de enfriamiento y su composición química. Cuanto más lento es el enfriamiento, tanto más completo es el proceso de grafitización. El componente fundamental, además de carbono, es el silicio. Por eso el hierro fundido se debe considerar como una aleación ternaria de Fe-C-Si. El diagrama ternario Fe-C-Si constituye el más importante para las características del hierro. Un corte del diagrama metaestable para un contenido de 1,5 % de silicio construido según los datos de [13] y el diagrama. de equilibrio estable para un. contenido de 1.5, 3, 6 % de silicio. En el sistema meta estable existen tres planos de equilibrios tetrafasicos: (eutéctoide–peroeutectoide, ferrita + cementita + austenita + carburo de silicio, carburo de silicio que contiene de 7 a 14 % de silicio) es a 780 ºC; eutectoide, austenita + cementita + liquido + carburo de silicio, a 1030 ºC; de equilibrio ferrita + austenita + carburo de silicio + líquido, la temperatura del cual no se ha establecido. El los hierros de alto carbono 3.5 y 3.7 % de carbono. ya para un. contenido cercano al 2% de silicio ocurre la reacción eutéctoide-peroeutectoide por dos reacciones: la eutectoide, austenita + carburo de silicio→ ferrita + carburo de silicio + cementita) y peroeutectoide (austenita + cementita + carburo de silicio → ferrita + cementita). Cuando el contenido de silicio es inferior al 2 %, la transformación austenita ocurre por la reacción eutectoide común, la temperatura de la cual es mayor a mayor contenido de silicio en el metal. En los hierros de bajos carbono de 2.3 a 2.5 % de silicio, la transformación de austenita ocurre por el esquema clásico y para un contenido mayor del 2.5 % de silicio, se adquiere un carácter eutectoide – peroeutectoide. En el campo de alta temperaturas del diagrama para bajas concentraciones de silicio; la transformación de fase se corresponde con el esquema clásico, pero para altos contenidos de carbono ya puede ocurrir la reacción eutéctica (líquido + austenita + cementita + carburo de silicio. En el sistema estable la región de ferrita + austenita + grafito más la acción del silicio se amplía intensivamente y la temperatura de ella aumenta. La región del equilibrio eutéctico (austenita + liquido + grafito) para un 18.

(25) contenido de 6 % de silicio se mantiene muy estrecho (su ancho cercano al punto de la eutéctica, en solo algunos grados) a propósito. su temperatura aumenta. significativamente hasta 1160 ºC para el 5 % de silicio. Para una temperatura más alta (cercana a los 1165 ºC) en el sistema se arriba al equilibrio tetrafasico ferrita + austenita + liquido + grafito en el sistema estable el silicio completamente se disuelve en la austenita y ferrita en el meta estable para un contenido elevado de silicio (+ 2%) este parcialmente se disuelve en el carbono formando carburo de silicio [13]. El silicio es un elemento grafitizante. En la práctica retardar el proceso de formación de cementita funciona como si se disminuyera la velocidad de enfriamiento a la aleación. Variando el contenido de silicio se pueden obtener fundiciones totalmente diferentes, en cuanto a sus propiedades y estructura [14]. Con poca cantidad de silicio se obtienen fundiciones blancas y al aumentar el contenido del mismo, se obtienen fundiciones grises. Las blancas son duras y frágiles por la presencia de Fe3C, mientras las grises son más blandas y presentan mayormente grafito. El manganeso, opuesto al silicio, favorece la formación de carburos dificultando la segregación de carbono libre o grafito. Cuanto mayor es la cantidad de carbono en la fundición, tanto menor es la cantidad necesaria de silicio para obtener la estructura deseada. Al mismo tiempo el contenido de silicio debe ser aumentado en las fundiciones de secciones pequeñas, que se enfrían rápidamente o en la fundición con menor contenido de carbono. El espesor de la fundición depende de la construcción de la pieza, entonces la estructura obtenida de la fundición se determina por el contenido total de carbono y de silicio. El silicio en forma de ferrosilicio 75% se utiliza como inoculante en los hierros grises en contenidos de 0,25-0,5 % de la masa fundida con el objetivo de lograr estructuras perlíticas uniformes y grafito en pequeñas laminas. La introducción de silicio altera el diagrama. de equilibrio hierro carbono, pues varía la composición eutectoide, la. composición eutéctica, la máxima solubilidad del carbono en la austenita y la temperatura de transformación eutéctica y eutectoide a temperaturas más elevadas.. 19.

(26) Otra cosa que no es evidente es que mientras la metalografía del acero es confinada al sistema metaestable Fe-Fe3C, la metalurgia del hierro fundido puede ocurrir tanto en el sistema metaestable como en el estable hierro-grafito o en ambas a la vez, lo que hace que el análisis de la estructura del hierro fundido sea más compleja que en acero y mucho más susceptible a las condiciones del proceso usadas en su producción. Es conveniente cambiar el efecto del silicio con el carbono en un factor sencillo que es llamado carbono equivalente. C.E=% C+1/3 Si Cuando el carbono equivalente es igual a 4,3 estamos en presencia del punto eutéctico. El hierro fundido igual se puede obtener con diferentes contenidos de carbono y silicio. Cuando hay apreciables cantidades de fósforo en el hierro fundido la expresión del carbono equivalente se incluye este y la expresión queda de la siguiente forma: C.E=% C+1/3 (Si +P) El manganeso [13] se disuelve en la ferrita y se combina con el carbono creando carburo, y con el azufre el sulfuro manganeso MnS, lo que eleva la resistencia de la fundición y reduce su viscosidad. El manganeso en la fundición neutraliza la influencia nociva del azufre. El manganeso reduce la temperatura de transformación γ → α, amplía la gama de la solución - γ y contribuye al afino de la perlita. Un contenido de hasta 1.5% de Mn influye positivamente en las propiedades mecánicas de la fundición gris. El azufre con el hierro forma una eutéctica fusible con una temperatura de fusión de 985 ºC. En la fundición líquida el azufre puede disolverse en cantidad ilimitada y en la sólida en cantidad insignificante. El azufre se encuentra en forma de sulfuros ricos en hierro, o en forma de eutéctica, este frena la grafitización en las fundiciones pobres en manganeso, reduce sus propiedades a causa de la creación de una eutéctica frágil en los límites de los granos. La neutralización de esta influencia del azufre y el grano máximo de grafitización para la fundición se logra siendo la relación Mn/S = 4٪5. En este caso, el azufre se halla 20.

(27) principalmente en forma de sulfuros manganosos, que no influyen en la grafitización. Los compuestos de sulfuro elevan la viscosidad de la fundición, empeoran la fluidez y las propiedades mecánicas. Con un contenido de 0.12-0.14% de S se reduce bruscamente la fluidez y aumenta la cantidad de cementita y perlita en la estructura de la fundición, ocurre el temple al aire en las secciones delgadas de las molduras. El temple al aire resulta debido a que los sulfuros ferrosos, teniendo una baja temperatura de fusión, se cristalizan por los límites de los granos y obstaculizan la disolución del carbono, el silicio en el hierro y la desintegración de la cementita. El azufre favorece también la formación de la fundición blanca, y empeora las características de fusión y colada, al disminuir la fluidez de la aleación. Al igual que en los aceros, provoca la fragilidad al rojo, conduciendo al agrietamiento de piezas y lingotes. Dicha fragilidad es debida a que el azufre forma una eutéctica muy fusible la cual solidifica tardíamente y se distribuye entre los granos metálicos de la fundición. El contenido de azufre para piezas pequeñas solo se admite hasta un 0,08%, y para las más grandes hasta 0,12%. El fósforo reduce la solubilidad del carbono en la fundición y la temperatura de transformación eutéctica. El fósforo, siendo su contenido hasta el 0.3%, se disuelve en la fundición completamente, y superior al 0.3% crea una eutéctica de fosfuro en forma de inclusiones separadas de Fe3P - Fe3C - Fe, que se funde a 950ºC. Con un contenido mayor del 0.6-0.7% de P la eutéctica de fosfuro. se separa en forma de una red. continua, dispuesta por los límites de los cristales. Por eso en la fundición para molduras importantes debe haber ≤ 0.15-0.20% de P, y para las molduras que experimentan frote sin golpes, cuando se requiere buenas propiedades de antifricción, <0.6-0.7% de P. El fósforo eleva la fluidez, por eso su contenido en la fundición para piezas artísticas se eleva hasta el 1% y más. La influencia del fósforo en la grafitización es insignificante. El cromo en la fundición durante la transformación eutéctica sirve como elemento que forma carburos, y durante la eutectoide eleva la estabilidad de la austenita. El cromo eleva la resistencia de la fundición a temperaturas elevadas y calentamientos múltiples, por lo que se introduce en la composición de las fundiciones resistentes a la formación 21.

(28) de cascarilla y altas temperaturas. El cromo eleva la dureza, la resistencia al desgaste, la corrosión en agua de mar y soluciones ácidas débiles, pero aumenta la fragilidad de la fundición. Con un contenido mayor del 0.8% de Cr la resistencia de la fundición se reduce a causa de la formación de carburos de cromo libres. El níquel en las aleaciones hierro - carbono reduce los puntos críticos A1 y A3, desplaza hacia la izquierda y hacia abajo los puntos críticos E y S, eleva algo la temperatura de transformación eutéctica, aumenta la estabilidad de la austenita, la solubilidad del carbono en soluciones líquidas y sólidas, como también el contenido de carbono en la eutéctica y eutectoide, es un elemento grafitizante. El níquel actúa en la transformación eutéctica en forma análoga al silicio, al mismo tiempo retiene la desintegración de los carburos eutectoides y con ello estabiliza la perlita y contribuye al aumento de su grado de dispersión [13]. Con un contenido mayor del 2% de níquel la estructura de la fundición se convierte al principio completamente perlítica, luego sorbítica; con un contenido de 4.5-5% de Ni se forma martensita. El níquel eleva la resistencia a la corrosión de las molduras de fundición en agua de mar y álcalis. El cobre con un contenido de hasta un 3-4% se disuelve con facilidad en la fundición líquida, contribuye a la grafitización y reduce la dureza de la fundición, en la fundición gris contribuye a la estabilización de la perlita y eleva la dureza, disminuye la temperatura de transformación eutéctica, favorece a la obtención de una estructura próxima a la homogénea en las secciones delgadas y gruesas. El reducido contenido de cobre en la fundición rica en carbono eleva la resistencia y la dureza. Durante la solidificación del hierro colado el cobre contribuye a la grafitización, pero en el proceso de la transformación eutectoide esta obstaculiza la desintegración de la perlita. El cobre eleva la resistencia de la fundición a la corrosión en condiciones atmosféricas, en soluciones de sales, ácidos y petróleo. El diagrama de estado y la influencia del cobre en la estructura fueron estudiados por varios investigadores. Vogel y Danonhl realizaron en su trabajo [15] el diagrama de estado corregido (ver figura 1.8). De acuerdo con este diagrama existe una amplia región de disgregación en estado líquido. La solubilidad del cobre en el hierro gamma a 22.

(29) 1477°c es de aproximadamente 8 %, esta aumenta con la disminución de la temperatura y para 1094 °c es igual a 8,5 %. El punto eutectoide cae para 810°c y 5,6 % de cobre. De acuerdo con los datos Buchholtz y kiostel [16] en la solución sólida que esta en la eutectoide se contiene alrededor de 2,3% de cobre. En contradicción con Buchholtz y kiostel, de acuerdo con los cuales la máxima solubilidad de cobre para 810°c es de 3,3%. Norton [17] estableció que la máxima solubilidad en alfa fase alcanza solo 1,4% de cobre, la solubilidad disminuye con la disminución de la temperatura y por debajo de 650°c llega a ser prácticamente constante igual a 0,35%, lo cual se encuentra en correspondencia con Buchholtz y Kiostel. En el sistema ternario fue encontrada una eutéctica ternaria para 4,73% de carbono y 3% de cobre. La temperatura de cristalización de la eutéctica ternaria es de 25°c, inferior que el sistema binario hierro-carbono. El cobre disminuye un poco el punto perlítico del hierro gris e 610°c para 1% de cobre [18], hasta 3% de cobre disminuye insignificantemente el contenido de carbono en la eutéctica ternaria, la solubilidad del cobre en el hierro gris es dada por diferentes autores en los límites de 3-5%. El elemento níquel figura 1.9, manganeso, aluminio y cromo aumentan significativamente la solubilidad [11].. Figura 1.8 Diagrama de estado hierro-cobre.. 23.

(30) Figura 1.9 Efecto del níquel en la solubilidad del cobre en el hierro fundido gris líquido.. En el hierro de poco carbono que contiene 14% de níquel, la solubilidad del cobre es de alrededor de 7% (figura 1.9) y en el hierro con 16% de níquel y 16% de cromo incluso es mayor al 10% de cobre, por esto el cobre en el hierro gris se introduce en aleaciones de manganeso-cobre, manganeso-silicio-cobre, manganeso-aluminio-cobre o metal monel (por ejemplo 20% de metal monel para la obtención de 13,5% de níquel y 6,5% de cobre). El cobre solamente en un nivel bajo posibilita la formación de grafito. Este no influye considerablemente en la forma del grafito. Kopp [19] para la adición de 2,36% de cobre observó unos engrosamientos no significativos de las láminas de grafito, no obstante East Wood, Bousu y Eddy [20] por el contrario observaron el engrosamiento de la base perlítica y grafito. El cobre adicionado en una cantidad que supera el límite de solubilidad (aproximadamente de 4-5%) se libera en el hierro líquido en forma de gotas las cuales influyen en la cristalización de grafito. Las gotas de cobre bordean las partículas de escorias que constituyen un inoculante lo que favorece el subenfriamiento de la eutéctica y la formación de grafito pequeño con estructura dendrítica. En las aleaciones líquidas se forma una zona de insolubilidad. En las aleaciones con un contenido bajo de carbono y cobre es posible la reacción peritectica hierro δ + 24.

(31) líquido→A (austenita), para altos contenidos de cobre es posible su licuación con la liberación de ξ-fase que contiene alrededor de 100% de cobre. Para concentración de cobre menores al límite de solubilidad en el estado licuado en el sistema ocurre la reacción eutéctica liquido→ A + Cementita. En el estado sólido es posible la reacción eutectoide A→ferrrita + cementita + ξ. El cobre aumenta la temperatura de equilibrio eutéctico en el sistema estable (3% de cobre aproximadamente en 14°c y la disminuye en el metaestable (6,4% de cobre en 15°c) [21]. 1.5 Generalidades sobre el desgaste Existen diferentes conceptos del término desgaste donde el significado depende de la obra consultada [22-25]. No obstante en todas las definiciones hay aspectos comunes como: Daño ocasionado por el exceso de uso bajo condiciones de fricción, disminución de las dimensiones de una pieza, cambio de las superficies producto del desprendimiento o pérdida del material por causa. mecánica, erosión de material. sufrida por una superficie sólida por acción de otra superficie, resultado de un proceso producido por el rozamiento. Especial lectura merece la de Koji Kato y Koshi Hadáis [25], al expresar que el desgaste es el resultado de la eliminación de material por separación física debido a micro facturas, disolución química o por la fusión debido al contacto entre superficies. Que no es una propiedad del material, sino una respuesta al sistema. Por lo mencionado anteriormente es posible asumir que el desgaste ocurre en una superficie por la fricción con otro cuerpo debido a un proceso multifactorial, que siempre ocurre y puede ser controlado en cierta medida, pero nunca evitado totalmente Todo evento que incluya fricción tiene dos efectos negativos: el calor y el desgaste. Normalmente el desgaste no ocasiona fallas violentas, pero trae como consecuencias: reducción de la eficiencia de operación, pérdidas de potencia por fricción, incremento del consumo de lubricantes y eventualmente conduce al reemplazo de componentes desgastados y a la obsolescencia de las máquinas en su conjunto [26]. El desgaste es uno de los factores que atenta contra la durabilidad y conservación de la maquinaria, a pesar del desarrollo industrial alcanzado, generando considerables. 25.

(32) pérdidas de materiales, recursos y tiempo, con la consiguiente disminución de la producción. Hay cuatro formas principales de desgaste: 1. Abrasivo:. El desgaste por abrasión, que es el más común en la industria, se define como la acción de corte de un material duro y agudo a través de la superficie de un material más suave. Tiende a formar ralladuras profundas cuando las partículas duras penetran en la superficie, ocasionando deformación plástica y/o arrancando virutas [26].. 2. Adhesivo:. El desgaste adhesivo, también llamado desgaste por fricción o 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. El aspecto de la superficie desgastada será de ralladuras irregulares y superficiales. 3. Corrosivo:. 26.

(33) El desgaste corrosivo ocurre en una combinación de desgaste (abrasiva o adhesiva) y de un ambiente corrosivo. El índice de la pérdida material puede ser muy alto debido a que los productos sueltos o flojos de la corrosión se desprenden fácilmente por el desgaste y se revela continuamente el metal fresco y que alternadamente puede volverse a corroer rápidamente [26]. 4. 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 [6]. La problemática de la vida útil y la fiabilidad de los cojinetes de deslizamiento están relacionadas con el estudio de las leyes y mecanismos del desgaste que sufren durante sus períodos de explotación [27]. Dentro de los factores que influyen positivamente en el desgaste de las máquinas en Cuba, se tiene: 9 Condiciones climáticas: Precipitaciones atmosféricas: son abundantes y regulares. Humedad relativa: Temperatura: oscilan entre 10oC y 35oC dando una media anual de 24oC, en invierno de 21oC y en verano de 27 oC. En el mundo existen diversos Métodos y Normas para los ensayos tribológicos. Entre los más conocidos están [27] los de la ASTM, API, IP, INTA, DIN, MIL y otros. 27.

(34) A la par se han diseñado y construido máquinas, dispositivos, probetas, métodos de cálculo y estándares de procedimientos que se aplican en dependencia del par tribológico, condiciones de trabajo (temperatura, presencia o no de lubricantes, abrasivos, etc.). Entre las Normas de ensayos tribológicos de desgaste adhesivo, destaca la ASTM G77 [28] por su flexibilidad, aplicación práctica y relación directa con este trabajo. Existen diferentes instalaciones experimentales para los estudios tribológicos de desgaste con máquinas y métodos [29] concebidos para este fin. El estudio de los fenómenos tribológicos de desgaste y la resistencia de los cuerpos a la fricción [30], no es posible hacerlo sin determinar sus valores absolutos cuantitativos y para esto existen numerosos métodos, entre los que se puede citar: rugosímetro, base de medidas artificiales, huellas, punzonado, barrenado, contenido de productos del desgaste en los lubricantes usados, entre otros. Cualquier análisis por simple que sea debe partir de la determinación del mecanismo de desgaste predominante [31]. Para ello es imprescindible conocer la micro geometría, estructura y propiedades de las capas superficiales (tensiones residuales, composición química, acritud) del par. Análisis de rigor requieren hacer diversos ensayos que se complementen entre sí y den respuesta al comportamiento y resultado obtenido. En cada caso hay que diseñar y cumplir con el procedimiento de elaboración y fijación de las probetas y pasos para la realización de los ensayos, así como el tipo de máquina y dispositivos en dependencia del mecanismo de desgaste principal. Por ejemplo [30] las probetas de metales blandos hay que cortarlas con segueta, torno, fresadora y las de material duro en rectificadora con disco abrasivo fino y enfriamiento adecuado. Los dispositivos de fijación deben ser resistentes y cómodos. Para la determinación del mecanismo de desgaste principal es necesario seguir los siguientes pasos [30]: 1.-Caracterizar el proceso tecnológico de elaboración de las superficies en contacto. 2.- Determinar las propiedades físicas y mecánicas de las superficies en contacto. 3.- Características geométricas de las piezas. 28.

(35) 4.- Conocer la microestructura de la capa superficial. 5.- Determinar el micro relieve de la superficie. 6.- Determinar micro dureza y la estructura de la superficie deformada (huella). 7.- Condiciones de trabajo (caracterización de la lubricación del par, presión específica de trabajo, velocidad de deslizamiento, temperatura de las capas superficiales). 8.- Tiempo de trabajo de las piezas. 9.- Características geométricas del desgaste. 10.- Características y tensiones residuales de la capa superficial desgastada. 11.- Micro relieve de la superficie desgastada. La recuperación de piezas permite a las empresas disminuir la dependencia de suministradores, aprovechar el recurso residual al agotarse su vida útil, reducir los costos de reparación y mantenimiento, disminuir los consumos de energía, reducir contaminación ambiental y alargar la vida útil de las piezas de repuesto [23]. 1.6- Particularidades de la Norma ASTM G77 de ensayos de desgaste adhesivo La Norma Internacional designada como ASTM G77-98 [28] establece el procedimiento para ensayos de desgaste por fricción de materiales mediante determinadas condiciones. Tiene además la particularidad de ser muy flexible en cuanto a los materiales a comprobar, aunque las pruebas de laboratorio son propias para metales y también es aplicable para disímiles condiciones de velocidad rotatoria, carga, lubricantes, siempre en aras de simular lo mejor posible las circunstancias reales de trabajo. El resultado final de la prueba se mide con la pérdida en volumen en mm3 de las piezas sometidas a ensayo. de desgaste, lo que requiere mediciones con exactitud. proporcional a las magnitudes a medir de la pérdida volumétrica como consecuencia del desgaste y no por desprendimiento de material por deformación plástica, porque falsea el resultado. Hay que tener en cuenta que hay ensayos que la pérdida 29.

(36) volumétrica es muy pequeña por ser material de alta resistencia al desgaste y se dificulta realizar mediciones que den la verdadera magnitud. Basado en la relación directa entre el volumen y el peso, teniendo en consideración las condiciones reales en que se desarrolló este trabajo es preferible calcular la pérdida de material por desgaste mediante el pesaje de las probetas antes y después del ensayo. Las pérdidas de las probetas están en relación directa al tiempo y condiciones de los ensayos y prácticamente nulos en el otro elemento del par, en correspondencia con las propiedades del hierro fundido gris y el piñón (acero endurecido), requiriéndose por tanto mediciones rigurosas y de gran exactitud. El procedimiento debe garantizar fidelidad en la repetición de los ensayos en diferentes probetas, en igualdad de condiciones, así como el cumplimiento de las exigencias en materia de salud y protección, ya que la variedad de situaciones implica que se realicen ensayos con personal, equipos y condiciones diferentes.. 30.

(37) Capítulo 2: Materiales y Métodos 2.1- Introducción La caracterización química, metalográfica y de comportamiento al desgaste brinda suficiente información para la valoración de aplicación adecuada de las aleaciones en una condición de trabajo específico frente a los fenómenos de desgaste. El conocimiento de las características de las aleaciones permite las adecuadas valoraciones para la fabricación de componentes y para su adecuada explotación con vistas a la mayor eficiencia de la maquinaria y la mayor durabilidad de los componentes. 2.2- Selección y extracción de las probetas Para la caracterización preliminar fueron seleccionadas 11 barras cilíndricas de hierro fundido, previamente obtenidas por aleación en cuchara y vertido en molde de arena (figura 2.1) [31], las cuales fueron maquinadas en un torno 16 K20 en el taller de maquinado de la Facultad de Ingeniería Mecánica.. Figura 2.1 Barras de hierro fundido obtenidas por aleación en cuchara y vertido en molde de arena.. Fueron extraídas probetas de 25mm de diámetro y 10mm de grosor de cada barra (figura 2.2) para realizarle los diferentes análisis: metalográfico, químico, medición de dureza, desgaste adhesivo y composición química (figura 2.2).. 31.

(38) Figura 2.2 Probetas de hierro fundido extraídas de las barras.. 2.3 Determinación de la composición química Para la determinación de la composición química pueden usarse métodos tales como emisión atómica (espectral), absorción atómica, vía húmeda, carbonimetría, rayos-X, entre otros. En este caso el análisis químico se realizó mediante emisión atómica (espectral), en un equipo Spectrolab (figura 2.3), en los laboratorios de la Empresa ¨Román Roca¨ en la provincia de Villa Clara.. Figura 2.3 Equipo de análisis espectral (Spectrolab) equipo de Planta Mecánica de la fundición ¨Román Roca¨.. 32.

(39) Figura 2.4 Detalle del portamuestra del equipo espectral.. 2.4- Análisis metalográfico Para realizar la caracterización metalográfica se empleó el Microscopio metalográfico marca NOVEL, modelo NJF-120A (figura 2.5) del laboratorio de metalografía del centro de investigación de soldadura, siguiendo el procedimiento establecido en el mismo para estos análisis [32].. Figura 2.5 Microscópio metalográfico marca NOVEL.. En esta caracterización de las muestras se tuvieron en cuenta varios pasos que se nombran a continuación: 9 Limpieza de las probetas 9 Corte de las probetas 33.

(40) 9 Desbaste de las probetas con lijas de agua para garantizar un mejor acabado 9 Pulido espejo de las probetas 9 Conteo puntual de grafito 9 Determinación de la microdureza ó dureza Vickers 9 Determinación de la dureza Brinell (HB) En la preparación las muestras se desbastaron con papel de lija con grano desde la 100 hasta la 800 y luego en la pulidora con un paño y pastas abrasivas para pulir a espejo. Luego de pulidas las muestras fueron atacadas para el revelado de la estructura y la observación en el microscopio. El ataque de las superficies pulidas de las fundiciones se realizó con una solución de nital al 1% (disolución de ácido nítrico en alcohol), garantizando un buen revelado de la microestructura. Las imágenes fueron registradas por medio de una cámara digital marca Canon, modelo A630, resolución 8 MPíxel, acoplada al microscopio. Para el conteo del por ciento de grafito se utilizaron dos métodos, uno según el patrón de la norma y el otro por el método puntual donde se le realizo el conteo a 10 campos por probetas y posteriormente se le hayo el promedio. Para esto se tuvo en cuenta las normas que tienen estandarizado un sistema de clasificación A-247 de la ASTM y el establecido por la ISO 945-75, estos sistemas concuerdan entre sí. Esta clasificación es según la norma Gost 3443-87 que fue la utilizada en este caso [33, 34]. De acuerdo a la distribución del grafito se puede clasificar en: (Uniformemente distribuido). (Puntual interdendrítico). (Laminar Interdendrítico). (No uniforme). (Rosetas). De acuerdo al tamaño el grafito puede clasificarse en: Mayor de 1000 µm (No.1). De 60 a 120 µm (No.5) 34.

(41) De 500 a 1000 µm (No.2). De 30 a 60 µm (No.6). De 250 a 500 µm (No.3). De 15 a 30 µm (Nº.7). De 120 a 250 µm (No.4). Menos de 15 µm (Nº.8). La determinación de la cantidad de grafito en una muestra se realiza en un microscopio metalográfico con aumento de 100X, en el cual se le inserta en el ocular una rejilla, se cuentan las intersecciones de las líneas verticales y horizontales (N) y se cuentan los nodos donde aparece una inclusión de grafito (n), se determina el % de grafito mediante la siguiente relación: % Grafito = (∑int. de los campos/478)*100 [33] Cantidad de grafito expresado en %: Hasta 3%. Entre 8 y 12 %. Entre 3 y 5%. Mayor de12%. Entre 5 y 8% 2.5 - Medición de microdureza y la dureza A cada una de las probetas de las diferentes aleaciones se le midió la microdureza de las fases (dureza Vickers, esta se hizo no menos de 5 por fases). La microdureza se realizó con el microdurómetro Shimadzu (figura 2.6) en el laboratorio de metalografía del CIS. La carga aplicada fue de 300 g.. Figura 2.6 Microdurómetro Shimatzu.. 35.

(42) Dureza Brinell La macrodureza o dureza brinell se determinó en el laboratorio perteneciente a la empresa Román Roca. Para esta se utilizó una bola de diámetro igual a 10 mm y una fuerza de 3000 Kg ó 29 420 N. 2.6 - Ensayos de desgaste y determinación del desgaste relativo Para la realización de los ensayos de desgaste se definió en el Capítulo I la preferencia de la Norma ASTM G77 [28], donde uno de los ensayos se basa en el desplazamiento relativo y fricción de un bloque de ensayo sobre un. anillo (Figuras 2.7 y 2.8),. desgastándose ambos durante el ensayo bajo determinadas cargas o esfuerzos y otros parámetros, de manera que se simule con determinada aproximación las condiciones en que ocurre el desgaste durante la explotación.. Figura 2.7 Representación del ensayo según la norma ASTM G77. 1, Indicador de la carga de fricción; 2, Bloque de ensayo; 3, Carga aplicada; 4, Aro del par de ensayo; 5, sentido de rotación; 6, Dirección y sentido de la fuerza de fricción generada; 7, Celda registradora de la fuerza de fricción.. Figura 2.8 Esquema del bloque y del anillo para el ensayo según la norma ASTM G77.. 36.

(43) La norma brinda determinada flexibilidad en los parámetros de los dos elementos para ajustarse a las características del equipo o máquina existente, así como, en los parámetros o requisitos de ensayo, como velocidad, sustancia o sustancias (aceites, partículas, etc.), los que pueden ser ajustados o seleccionados según los requerimientos para que el dispositivo permita su uso montado sobre un torno universal o banco de ensayo universal, además que se pueda ensayar una amplia gama de materiales, particularmente para medir o determinar desgastes relativos. Es requisito, cuando se hacen ensayos para determinar resistencia al desgaste relativo, que todos los elementos (bloques y anillos), así como el régimen y duración del ensayo, sean iguales. Se utilizó para la colocación de la probeta un dispositivo diseñado previamente en trabajos anteriores, con suficiente rigidez, fácil de manipular en su montaje, desmontaje y ajuste, ver Figura 2.9. Este dispositivo se monta a través de la zona de fijación en el portaherramientas del torno.. Figura 2.9 Dispositivo porta probeta. 1, Tuerca de fijación; 2, Tuerca de regulación; 3, Cuerpo soporte; 4, Arandelas tope; 5, Muelle de carga; 6, Eje; 7, Portamuestra; 8, Tornillo de fijación de la probeta; 9, Tornillo de fijación del portamuestra; 10, Zona de fijación del dispositivo.. La carga seleccionada para aplicar en el ensayo, se fija primeramente en el dispositivo comprimiendo el muelle mediante la tuerca de regulación y la de fijación (Figura 2.10), hasta el desplazamiento que corresponde a dicha carga, medido con un reloj indicador de carátula con apreciación de 0,01mm.. 37.

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Figura 1.1 Diagrama de estado hierro-carbono

Figura 1.1

Diagrama de estado hierro-carbono p.10
Figura 1.2 Fundiciones blancas: a) hipereutéctica; b) eutéctica; c) hipoeutéctica

Figura 1.2

Fundiciones blancas: a) hipereutéctica; b) eutéctica; c) hipoeutéctica p.12
Figura 1.5 Microestructura de la fundición con diversa forma de grafito.

Figura 1.5

Microestructura de la fundición con diversa forma de grafito. p.14
Figura  1.6 Aspecto exterior de las inclusiones de grafito en la fundición: a)  inclusiones laminares; b) esferoidales

Figura 1.6

Aspecto exterior de las inclusiones de grafito en la fundición: a) inclusiones laminares; b) esferoidales p.15
Figura 1.7 Clasificación de la fundición atendiendo a la estructura de la  matriz metálica y a la forma de las inclusiones de grafito

Figura 1.7

Clasificación de la fundición atendiendo a la estructura de la matriz metálica y a la forma de las inclusiones de grafito p.16
Figura 1.8 Diagrama de estado hierro-cobre.

Figura 1.8

Diagrama de estado hierro-cobre. p.29
Figura 1.9 Efecto del níquel en la solubilidad del cobre en el hierro fundido gris líquido

Figura 1.9

Efecto del níquel en la solubilidad del cobre en el hierro fundido gris líquido p.30
Figura 2.1 Barras de hierro fundido obtenidas  por aleación en cuchara y vertido en molde de arena

Figura 2.1

Barras de hierro fundido obtenidas por aleación en cuchara y vertido en molde de arena p.37
Figura 2.2 Probetas de hierro fundido extraídas de las barras.

Figura 2.2

Probetas de hierro fundido extraídas de las barras. p.38
Figura 2.3 Equipo de análisis espectral (Spectrolab) equipo de Planta Mecánica de la fundición

Figura 2.3

Equipo de análisis espectral (Spectrolab) equipo de Planta Mecánica de la fundición p.38
Figura 2.4 Detalle del portamuestra del equipo espectral.

Figura 2.4

Detalle del portamuestra del equipo espectral. p.39
Figura 2.7 Representación del ensayo según la norma ASTM G77.

Figura 2.7

Representación del ensayo según la norma ASTM G77. p.42
Figura 2.8 Esquema del bloque y del anillo para el ensayo según la norma ASTM G77.

Figura 2.8

Esquema del bloque y del anillo para el ensayo según la norma ASTM G77. p.42
Figura 2.9 Dispositivo porta probeta.

Figura 2.9

Dispositivo porta probeta. p.43
Figura 2.12 Balanza de precisión Sartorius.

Figura 2.12

Balanza de precisión Sartorius. p.45
Tabla 3.1 Composición química de las aleaciones, % masa.

Tabla 3.1

Composición química de las aleaciones, % masa. p.46
Tabla 3.2 Resultados de la caracterización metalográfica.

Tabla 3.2

Resultados de la caracterización metalográfica. p.47
Figura 3.2 Estructura metalográfica de la probeta 2 (100X y 500X).

Figura 3.2

Estructura metalográfica de la probeta 2 (100X y 500X). p.48
Figura 3.1 Estructura metalográfica de la probeta 1(100X y 500X).

Figura 3.1

Estructura metalográfica de la probeta 1(100X y 500X). p.48
Figura 3.3 Estructura metalográfica de la probeta 3 (100X y 500X).

Figura 3.3

Estructura metalográfica de la probeta 3 (100X y 500X). p.49
Figura 3.4 Estructura metalográfica de la probeta 4 (100X y 500X).

Figura 3.4

Estructura metalográfica de la probeta 4 (100X y 500X). p.49
Figura 3.6 Estructura metalográfica de la probeta 6 (100X y 500X).

Figura 3.6

Estructura metalográfica de la probeta 6 (100X y 500X). p.50
Figura 3.9 Estructura metalográfica de la probeta 9 (100X y 500X).

Figura 3.9

Estructura metalográfica de la probeta 9 (100X y 500X). p.52
Figura 3.11 Estructura metalográfica de la probeta 11(100X y 500X).

Figura 3.11

Estructura metalográfica de la probeta 11(100X y 500X). p.53
Figura 3.13 Gráfica de microdureza contra por ciento de cobre

Figura 3.13

Gráfica de microdureza contra por ciento de cobre p.55
Tabla 3.4 Valores de pérdida de masa alcanzados con lubricante contaminado.

Tabla 3.4

Valores de pérdida de masa alcanzados con lubricante contaminado. p.56
Tabla 3.5 Valores de pérdida de masa alcanzados con lubricante sin contaminar.  Aleación Masa  inicial  (g)  Masa final (g)  Carga  administrada (kg)  Pérdida  de masa en (g)  K  1 7.2431  7,2403  10  0,0028 1,5099E-05  2 7.3434  7,3405 10  0,0029  1,4136E

Tabla 3.5

Valores de pérdida de masa alcanzados con lubricante sin contaminar. Aleación Masa inicial (g) Masa final (g) Carga administrada (kg) Pérdida de masa en (g) K 1 7.2431 7,2403 10 0,0028 1,5099E-05 2 7.3434 7,3405 10 0,0029 1,4136E p.57
Figura 3.15 Gráfica de pérdida de masa en función por ciento de cobre (lubricante sin contaminar)

Figura 3.15

Gráfica de pérdida de masa en función por ciento de cobre (lubricante sin contaminar) p.59
Figura 3.14 Gráfica de pérdida de masa en función del por ciento de cobre (lubricante contaminado)

Figura 3.14

Gráfica de pérdida de masa en función del por ciento de cobre (lubricante contaminado) p.59
Figura 3.16. Comparación del comportamiento al desgaste en función del contenido de cobre en  las condiciones de lubricación contaminada y sin contaminar

Figura 3.16.

Comparación del comportamiento al desgaste en función del contenido de cobre en las condiciones de lubricación contaminada y sin contaminar p.60

Referencias

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