RESISTENCIA A LA ABRASI N DE U AS PARA PALA MECANICA FABRICADAS EN ADI

CONGRESO CONAMET/SAM 2004
RESISTENCIA A LA ABRASIÓN DE UÑAS
PARA PALA MECANICA FABRICADAS EN ADI
Sebastián Laino, Hugo R. Ortíz y Ricardo C. Dommarco
(1)
Grupo Tribología – Fac. Ingeniería – Univ. Nac. de Mar del Plata
Av. J. B. Justo 4302 – B7608FDQ Mar del Plata - Argentina
RESUMEN
La Fundición Nodular Austemperada (ADI) es un material cuyo tratamiento térmico le confiere una
microestructura particular, denominada ausferrita, que posee excelentes propiedades mecánicas, entre las cuales
se distingue la resistencia al desgaste. En general se considera que el aumento de la dureza produce un aumento
de la resistencia a la abrasión. Sin embargo, se demostró que en el ADI esta relación no es válida cuando la
solicitación es severa, y que por el contrario, la progresiva disminución de la dureza obtenida a medida que se
eleva la temperatura de austemperado, produce un aumento de la resistencia a la abrasión. En el presente trabajo
se evalúa la resistencia a la abrasión de ADI para temperaturas de austemperado superiores a las reportadas en
trabajos previos, intentando determinar el punto de inflexión en el aumento de la resistencia a la abrasión. Se
realizaron ensayos de campo y de laboratorio para una completa caracterización del material y monitoreo de su
respuesta frente a la abrasión. Las variantes de ADI austemperadas a las temperaturas más elevadas y de menor
dureza poseen la resistencia a la abrasión más elevada.
Palabras Claves: Desgaste, abrasión, fundición nodular austemperada, deformación plástica
plástica hacia ambos lados del surco formando labios
1. INTRODUCCIÓN
o protuberancias[2, 3]. El volumen de estas
protuberancias dependerá de la geometría de la
1.1 Formato del encabezamiento
partícula abrasiva y de las propiedades del material.
El desgaste abrasivo se produce cuando las asperezas
duras de un cuerpo hacen contacto sobre otro
indentando la superficie y dejando un surco cuando se
mueven. Esto produce la pérdida de masa del material
abradido
ocasionando
pérdidas
económicas
cuantiosas, en particular en áreas industriales como la
minería, construcción, movimiento de suelo, etc.
Una de las variables más importantes que afectan la
resistencia a la abrasión es la microestructura del
material abradido, la cual está biunivocamente
relacionada con las propiedades mecánicas, entre las
cuales la dureza, por definición, es la principal
propiedad a considerar. Un aumento de la dureza
produce una disminución de la profundidad de
indentación o penetración del abrasivo y, por lo tanto,
una disminución del volumen del surco producido en
el deslizamiento [1].
Sin embargo, se ha demostrado que el volumen del
surco producido por abrasión no es igual al volumen
de material removido, ya que siempre existe una
cantidad de material desplazado por deformación
1.1 El ADI y su resistencia al desgaste
La resistencia al desgaste del ADI es muy dependiente
de las características, tanto de su microestructura
como del entorno en el cual se produce. Trabajos
previos relativos a la caracterización de las
propiedades mecánicas del ADI en un rango de
temperaturas de austemperado que va desde los 220 a
los 360 °C [4, 5] han mostrado que la resistencia al
desgaste aumenta para las variantes tratadas a las
temperaturas más bajas.
Se ha observado también en ensayos de laboratorio y
de campo sobre herramientas para el movimiento de
suelos [6, 7, 8] que la resistencia al desgaste del ADI
aumentó con la disminución de la temperatura de
austemperado. Si bien en ningún caso excedió la de
herramientas con endurecimiento superficial, el ADI
fue muy superior en suelo rocoso, donde aumenta la
probabilidad de falla por fractura. Trabajos recientes
[9] han mostrado que el ADI posee un
comportamiento superior al acero cuando se lo utiliza
en la fabricación de cinceles.
CONGRESO CONAMET/SAM 2004
Por otro lado, se ha demostrado mediante ensayos de
laboratorio
que
existe
una
relación
dureza/microestructura, obtenida a temperaturas de
austemperado intermedias [10], que provee la mayor
resistencia al desgaste. También se reportó que la
resistencia a la abrasión y la dureza de ADI colada en
molde permanente puede aumentarse subiendo la
cantidad de austenita a través de una disminución del
contenido de silicio.
Ensayos en un sistema pin on disk [11] mostraron que
para durezas similares, el ADI posee mayor resistencia
a la abrasión, que aceros templados y revendidos
(T&R) y aceros austemperados, atribuyendo este
comportamiento a la presencia de austenita y su
capacidad de deformación y transformación.
Otros trabajos [12] han mostrado que las
microestructuras correspondientes a acero o fundición
nodular con tratamiento de T&R tienen mayor
resistencia al desgaste que los mismos aceros y
fundiciones con tratamiento de austemperado, cuando
son ensayados en un sistema tipo pin-on-disk. Debe
tenerse en cuenta que los parámetros de tratamiento
térmico utilizados poromovieron una mayor cantidad
de austenita retenida en las estructuras con T&R.
También se han realizado ensayos de abrasión de una
pasada con péndulo [13], los que muestran que a
temperaturas de austemperado constantes, la
resistencia aumenta con el tiempo de austemperado
que produce el mayor contenido de austenita retenida.
Cuando se considera la temperatura de austemperado
como variable, la resistencia al desgaste aumentó con
la dureza, a la vez que el contenido de austenita
disminuyó [14]. También se reportó [15] que la
resistencia al desgaste del ADI está íntimamente
relacionada con el contenido de austenita retenida, y
que el comportamiento depende del tipo de
tribosistema.
Las referencias no permiten dilucidar una relación
consistente entre la microestructura del ADI y su
resistencia al desgaste, la que se muestra muy
dependiente del tribosistema. Esta situación es de
suma importancia a la hora de seleccionar un material
para una aplicación industrial, ya que la mayoría de
los datos experimentales han sido obtenidos a través
de ensayos de laboratorio. Por lo tanto, en condiciones
ideales, el uso de un material para una nueva
aplicación debería ser evaluado a través de ensayos de
campo, aun cuando deban tolerarse las dificultades
asociadas a los mismos, tales como alto costo,
seguimiento de las muestras, paradas de máquina,
pérdida de datos, etc.
El presente trabajo reporta los resultados obtenidos en
ensayos de abrasión de campo realizados con una pala
cargadora frontal y también los obtenidos mediante
ensayos de abrasión de laboratorio, donde se utilizó
una máquina según la norma ASTM G 65. La
resistencia a la abrasión de las variantes de ADI
estudiadas fue comparada con la de variantes de ADI
estudiadas en trabajos previos [16], las que resultaron
superiores a la de aceros templados y revenidos.
2. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL
2.1 Producción de uñas y preparación de probetas
Las uñas para ensayos de campo y los bloques Y de
25 mm (norma ASTM A-395M) para la extracción de
probetas de laboratorio, de fundición nodular, cuya
geometría y dimensiones se muestran en la Figura 1a),
fueron obtenidos a partir de un horno industrial tipo
cubilote, recibiendo tratamiento en cuchara para
inocular, nodulizar y ajustar la composición química.
La inoculación y nodulización fueron efectuadas con
FeSi y FeSiMg, respectivamente.
La composición química de las muestras fue
determinada mediante espectrometría de emisión
óptica con excitación por chispa. Se evaluó la
microestructura del material tanto en la condición “ascast” como después del tratamiento térmico. Los
parámetros relevantes del ciclo térmico y la
identificación de las muestras se listan en la Tabla 1.
Las uñas y muestras de laboratorio austemperadas a
280 °C (ADI 280) fueron utilizadas como material de
referencia, ya que a esta temperatura se obtuvo la
mayor resistencia a la abrasión en trabajos previos
[16].
2.2 Ensayos Mecánicos
Para los ensayos de campo se utilizó una pala
cargadora frontal de 105 CV de potencia, con balde de
2 m3 de capacidad, dedicada a la carga de piedra
cuarzítica con un tamaño en el rango de 10-30 mm y
una resistencia a la compresión de 1000 Kg/cm2. El
balde de la máquina aloja 8 uñas, Fig.1b), dos de las
cuales fueron utilizadas como material de referencia
(posiciones 1 y 4 del balde, Figura 1), mientras que las
Tabla 1. Parámetros de tratamiento térmico e identificación de las muestras.
Austenizado
Identificación
Austemperado
Temp. [°C]
Tiempo [min]
Temp. [°C]
Tiempo [mín]
ADI 280
910
120
280
120
ADI 300
910
120
300
120
ADI 320
910
120
320
120
ADI 340
910
120
340
120
CONGRESO CONAMET/SAM 2004
restantes seis posiciones del balde fueron cubiertas
con la variante de tratamiento térmico estudiada,
Fig.1c). Las uñas utilizadas poseen un peso inicial de
~4,5 Kg.
La pérdida de peso por abrasión de las uñas se midió
utilizando una balanza con una apreciación de 10
gramos. Los ensayos de desgaste por abrasión en el
laboratorio se realizaron de acuerdo la norma ASTM
G 65/94 (Dry sand rubber wheel abrasion test),
utilizando una balanza con una apreciación de 0,1 mg
y los valores reportados surgen del promedio de tres
determinaciones.
E=
ΔPref
Ec. 1
ΔP
3. Resultados y Discusión
3.1 Caracterización del Material
La composición química de las muestras se lista en la
Tabla 2. Los elementos de aleación incorporados
aseguran una correcta austemperabilidad del material
para las dimensiones de pieza utilizadas, como se
observa en la micrografía obtenida para el centro de la
zona de mayor sección de la pieza, Figura 2, la que
muestra una estructura del tipo acicular y austenita
retenida en borde de célula.
Figura 1. a) Esquema y dimensiones del bloque Y
ASTM A-395, a partir del cual se obtuvieron las
probetas de laboratorio, b) característica geométrica de
las uñas empleadas en ensayos de campo, c) esquema
del balde de pala mecánica, indicando las posiciones
de las uñas durante los ensayos de campo. Las uñas de
referencia (ADI 280) fueron ubicadas en las
posiciones 1 y 4.
Figura 2. Microestructura ausferrítica correspondiente
a una muestra ADI 280 tomada en el centro de la zona
de mayor sección de una uña. Nital 2%.
La Tabla 3 lista los valores de dureza obtenidos, tanto
para las muestras de laboratorio como para las uñas
utilizadas en ensayos de campo. Las probetas
extraidas de bloque Y de 25 mm poseen una dureza
superior a la observada en las uñas para la misma
temperatura de austemperado. Esto tiene su origen en
la diferencia de sección entre el bloque Y y las uñas,
lo que afecta la microestructura resultante, tanto en la
solidificación como en el tratamiento térmico.
En los ensayos de abrasión, tanto en los de laboratorio
como en los de campo, se evaluó la resistencia al
desgaste relativo (E), a través del cociente entre la
variación de peso del material de referencia (ΔPref) y
la variación de peso del material estudiado (ΔP), Ec.1.
Tabla 2. Composición química (% en peso) de las muestras utilizadas
(uñas y probetas de laboratorio). CE = carbono equivalente. Balance, Fe.
Muestra
C
Si
Mn
S
P
Mg
Cu
Mo
CE
Fund. Nod.
3,29
2,58
0,31
0,032
0,046
0,008
0,72
0,19
4,34
CONGRESO CONAMET/SAM 2004
3.2 Resistencia a la Abrasión
Ensayos de Campo. La Figura 3 muestra las curvas
correspondientes a los valores de resistencia al
desgaste relativo (E) en función del tiempo de
operación de la pala mecánica. Se observa que las
variantes de ADI evaluadas, ADI 300 y ADI 320,
poseen una resistencia a la abrasión claramente
superior a la variante de material utilizada como
referencia, ADI 280. En particular, el comportamiento
observado para el ADI 300, con un valor de E ≈1,8
para las primeras horas de funcionamiento,
disminuyendo a valores estabilizados del orden de
E≈1,4 a partir de las ~60 horas, es similar al reportado
en trabajos previos [16] y no se encuentra plenamente
justificado. Sin embargo, la variante ADI 320 presentó
un comportamiento estable para todo el período de
ensayo con valores de resistencia similares del orden
de E≈1,4. La mayor resistencia a la abrasión de las
variantes ADI 300 y ADI 320, respecto del ADI 280
utilizado como material de referencia, fue obtenida a
pesar que esta última posee una dureza superior, como
se observa en Tabla 3.
ensayos de laboratorio coincide con el criterio
comúnmente aceptado, según el cual a una mayor
dureza le corresponde una mayor resistencia al
desgaste.
La importante diferencia observada al comparar los
resultados obtenidos en el laboratorio y en el campo
tendría su origen en las diferencias observadas entre
ambos tribosistemas, la cual puede estudiarse
mediante el análisis de las huellas de desgaste. La
Figura 4 muestra la macrografía correspondiente a las
huellas de desgaste, tanto de los ensayos de
laboratorio, Fig.4a), como de los ensayos de campo,
Fig.4b). En el primer caso los surcos poseen un ancho
de aproximadamente 250 μm con una marcada
deformación plástica claramente visible para la
magnificiación utilizada, mientras que en el segundo
caso el ancho es de ~20 μm.
Figura 3. Resistencia a la Desgaste Relativa (E) de la
variantes de ADI ensayadas en campo: ADI 280 como
material de referencia (E=1) y ADI 300 y 320.
Ensayos de Laboratorio. La Tabla 3 lista los valores
de resistencia a la abrasión (E) obtenidos en los
ensayos
de
laboratorio,
observándose
un
comportamiento diferente al mostrado por las uñas
ensayadas en campo. En este caso la mayor resistencia
la mostró el material de referencia, ADI 280, mientras
que la resistencia menor fue observada para el ADI
320. La respuesta a la abrasión observada en los
Figura 4. Macrografía de las huellas de desgaste, a)
ensayos de campo, b) ensayos de laboratorio.
Tabla 3. Valores de dureza y resistencia al desgaste obtenidos en laboratorio.
Variante ADI
Dureza Uñas - HRC
Dureza probeta - HRC
E (laborat.)
ADI 280
38
44
1,00
ADI 300
36
42
0,98
ADI 320
35
41
1,00
ADI 340
34
37
0,85
CONGRESO CONAMET/SAM 2004
La deformación plástica producida en la vecindad de
un surco de abrasión se ve esquematizada en la Figura
5, definiendo el área de surco Av y el material
deformado que da origen a las protuberancias a ambos
lados del surco, A1 y A2. La relación entre estas áreas,
Ec.2, permite definir lo que se conoce como “grado de
desgaste” o factor fab, cuyo valor puede utilizarse
como una medida de la aptitud de un material para
soportar este tipo de esfuerzo. En el caso ideal, cuando
el total del volumen del surco se pierde en forma de
viruta, entonces fab=1.
resistencia a la penetración de partículas es la mejor
opción, no es válido bajo determinadas condiciones de
servicio.
Las microestructuras que presentan el mejor balance
entre resistencia a la penetración y capacidad de
deformación son las más apropiadas cuando la
solicitación impuesta en servicio es severa.
Cuando la solicitación en servicio es abrasión de nivel
moderado a bajo, tal que produce huellas de desgaste
similares a la observada en los ensayos de laboratorio,
las variantes de ADI austemperadas a menor
temperatura y mayor dureza serán las más apropiadas.
5. REFERENCIAS
1 J.F. Archard, Contact and Rubbing of flat surfaces,
Journal of Applied Physics 24 (1960) p.981.
2 K.H.Zum Gahr, “Microstructures and wear of
materials,” Tribology Series 10, Elsevier,
Amsterdam, 1987.
3 K.H.Zum Gahr, “Modeling of two body abrasive
wear,” Wear, 124 (1988) 87-103.
Figura 5. Esquema de las protuberancias formadas
por deformación plástica sobre los bordes de una
surco producido por abrasión.
Mientras que en los ensayos de campo las variantes
ADI 300 y 320 mostraron valores E≈1,40 no se
observó una diferencia marcada entre los valores de
resistencia a la abrasión de estas variantes en los
ensayos de laboratorio, donde la resitencia a la
abrasión mostró valores E≈1 (ver Tabla 3), tanto para
ADI 300 como para ADI 320
4 R.C. Dommarco, H.A. Dall'O, H.R. Ortiz,
Resistencia a la Abrasión-Erosión en A.D.I.,
Proceedings Jornadas Metalúrgicas S.A.M. (1991)
Sociedad Argentina de Metales, Buenos Aires,
Argentina, pp.99-102.
5 H.A. Dall’O, H.R. Ortiz, R.C. Dommarco,
Resistencia al Desgaste de Fundiciones
Esferoidales tratadas isotérmicamente, Análisis
comparativo,” Jornadas Tribológicas de la Rca.
Argentina, TRIBOS ’94 (1994) Centro Argentino
de Tribología, Buenos Aires, Argentina.
Las huellas de desgaste ponen en evidencia que la
severidad de la solicitación impuesta al material es
muy superior en el ensayo de campo y que, a la luz de
los resultados obtenidos en los ensayos de abrasión,
esta condición de servicio favorece la mejor respuesta
de las variantes de ADI con mayor capacidad de
deformación.
6 J. García, J. Sikora, H. Dall’O, Sustitución de
elementos de labranza de acero por ADI: Estudio
Tribológico comparativo entre experiencias de
campo y de laboratorio, Jornadas Tribológicas de
la Rca. Argentina, TRIBOS ’94 (1994) Centro
Argentino de Tribología, Buenos Aires, Argentina.
Además, el uso de variantes de ADI austemperadas a
mayor temperatura provee una mayor tenacidad del
material, y con ello, una disminución de la
probabilidad de falla por rotura.
7 J. Sikora, J. Capurro, J. García, H. Dall’O,
Desarrollo y evaluación en servicio de rejas de
arado fabricadas en ADI, Proceedings Jornadas
Metalúrgicas S.A.M. (1994) Sociedad Argentina
de Metales, Bahía Blanca, Argentina, pp.137-140.
4. CONCLUSIONES
Las fundición nodular austemperada (ADI) presenta
un aumento de la resistencia a la abrasión cuando
aumenta la temperatura de austemperado, lo que a su
vez produce una disminución de la dureza.
Esto permitió demostrar que el criterio comúnmente
utilizado para la selección de materiales resistentes a
la abrasión, el cual supone que una mayor dureza o
8 J. Capurro, M. Nolasco, J. Sikora, Evaluación en
servicio de rejas fabricadas en ADI, IV Congreso
Argentino y II Internacional de Ingeniería Rural
(1996) Neuquén, Argentina, pp.319-325.
9 H. Farina, J. Sikora, Factibilidad y ventajas
técnicas del uso de ADI en herramientas
agrícolas,” Jornadas Metalúrgicas S.A.M. ‘98 y
IBEROMET V (1998) Sociedad Argentina de
CONGRESO CONAMET/SAM 2004
Metales, Rosario, Prov. De Santa Fé, Argentina,
pp.97-100.
10 M. Martinez Gamba, J. García, H. Dall’O, J.
Sikora, Comportamiento a la abrasión de ADI
destinada a uso agrícolas y mineros, Proceedings
Jornadas Metalúrgicas S.A.M. (1994) Sociedad
Argentina de Metales, Bahía Blanca, Argentina,
pp.133-136.
11 Ductile Iron Data for Design Engineers, QIT-Fer
et Titane Inc. (1990) Chap.IV, pp. 1-33.
12 Q. Luo, J. Xie, Y. Song, Effects of
microstructures on the abrasive wear behavior of
spheroidal cast iron, Wear 184 (1995) pp. 01-10.
13 J.M. Velez, A.P. Tschiptschin, Estudo do
Comportamiento em Desgaste de um Ferro
Fundido Nodular Austemperado através da
Tecnica de Esclerometria Pendular, Proceedings
50° Congreso Anual da Asociacion Brasilera de
Metales (1995) v.2, pp.01-13.
14 J.M. Velez, Estudo da Resistência ao Desgaste
Abrasivo de Ferros Fundidos Nodulares
Austemperados e Temperados e Revenidos
Utilizando um Esclerômetro Pendular, PhD Thesis,
Escola Politécnica, Universidade de Sao Paulo,
Sao Paulo, Brasil (1997) 226 pp.
15 W.S. Zhou, D.Q. Zhou, S.K. Meng, Abrasion
resistance of austempered ductile iron, Cast Metals
6 (1993) No.2, pp. 69-75.
16 R.Domarco, I. Galarreta, H.Ortíz P. David, G.
Maglieri, The use of ductile iron for wheel loader
bucket tips, Wear 249 (2001) 101-108.