analisis del desgaste erosivo en aceros inoxidables aisi/sae 304

UNIVERSIDAD VERACRUZANA
REGION POZA RICA – TUXPAN
FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRICA
TEMA:
ANALISIS DEL DESGASTE EROSIVO CAUSADO EN
ACEROS INOXIDABLES AISI/SAE 304, 316 Y 410
MODALIDAD:
TESIS
QUE PARA ACREDITAR LA EXPERIENCIA EDUCATIVA
DE EXPERIENCIA RECEPCIONAL PRESENTAN:
GAONA TOVAR ALEJANDRO
GARCIA MARTINEZ JORGE ALBERTO
FRANCISCO SALAZAR CUAUHTEMOC
DIRECTOR DE TESIS
DR. JUAN RODRIGO LAGUNA CAMACHO
POZA RICA VER. A 16 MAYO DEL 2012.
ANALISIS DEL DESGASTE EROSIVO EN ACEROS INOXIDABLES
AISI/SAE 304, 316 Y 410
CONTENIDO
INTRODUCCIÓN................................................................................. 4
CAPÍTULO I ................................................................ 5
JUSTIFICACIÓN .............................................................................. 6
NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DEL TRABAJO .................. 7
ENUNCIACIÓN DEL PROBLEMA .................................................... 8
ESTRUCTURA DEL TRABAJO ........................................................ 9
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN ...........10
HIPÓTESIS DEL TRABAJO ............................................................11
PROCESO DE LA INVESTIGACIÓN ..............................................12
CAPÍTULO II ............................................................. 13
MARCO TEÓRICO ..........................................................................13
EXPOSICIÓN GENERAL. ...............................................................14
MARCO CONTEXTUAL. .................................................................15
SUBTEMA 1.- DESGASTE EROSIVO EN ACEROS INOXIDABLES 16
1.1 ACEROS INOXIDABLES...........................................................16
1.1.1 ACEROS INOXIDABLES AUSTENÍTICOS..........................19
1.1.2 ACEROS MARTENSITICOS ...............................................23
1.1.3 APLICACIONES DE LOS ACEROS INOXIDABLES..........25
1.2 CASOS DE DESGASTE EROSIVO EN ACEROS INOXIDABLES
AISI/SAE 304, 316 Y 420. ..............................................................32
SUBTEMA 2. PRUEBAS EXPERIMENTALES ..................................35
2.1 SELECCIÓN DE MATERIALES ................................................35
2.2 CONDICIONES DE LAS PRUEBAS ..........................................39
2.3 RESULTADOS DE LAS PRUEBAS DE EROSION....................41
2.3.1 INDENTIFICACION DE LOS MECANISMOS DE DESGASTE
.....................................................................................................41
2.3.2 GRAFICOS DE PÉRDIDA DE MASA VS TIEMPO. .............51
2.3.3 GRAFICOS DE EROSION TOTAL VS ANGULO DE
IMPACTO. ....................................................................................58
SUBTEMA 3.- DISCUSIONES ...........................................................62
3.1 DISCUSIONES .............................................................................62
SUBTEMA 4.- ESTUDIO DE COSTOS ..............................................64
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AISI/SAE 304, 316 Y 410
4.1 COSTOS UNITARIOS ............................................................64
4.2 ANALISIS DEL PRECIO UNITARIO EN ENSAYOS DE
EROSION DE ESPECÍMENES DE ACERO INOXIDABLE
AISI/SAE 304 ...............................................................................65
4.3 ANALISIS DEL PRECIO UNITARIO EN ENSAYOS DE
EROSION DE ESPECÍMENES DE ACERO INOXIDABLE
AISI/SAE 316. ..............................................................................66
4.4 ANALISIS DEL PRECIO UNITARIO EN ENSAYOS DE
EROSION DE ESPECÍMENES DE ACERO INOXIDABLE
AISI/SAE 420. ..............................................................................67
SUBTEMA 5: APORTACIONES .......................................................68
5.1 APORTACIONES ...................................................................68
CAPITULO III ............................................................ 69
CONCLUSIONES...............................................................................70
PROPOSICIONES .............................................................................71
BIBLIOGRAFÍA .................................................................................72
ANEXO……………………………………………………………………..74
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INTRODUCCIÓN
El fenómeno del desgaste es un problema que afecta ciertos sistemas de
ingeniería. Erosión de partícula sólida, es uno de los procesos de desgaste que
más efecto tiene sobre los componentes mecánicos en la industria. Básicamente,
se entiende por esto a la pérdida progresiva de material debido al impacto de
partículas abrasivas o de algún líquido sobre una superficie. Generalmente, éste
tipo de desgaste se presenta en cajas de moldeo y de corazones en fundición a
presión, tuberías que transportan líquidos o gases, accesorios de tubería como
codos, conexiones de tipo “T”, válvulas, etc., en rampas utilizadas en máquinas
clasificadoras de granos (arroz, maíz, garbanzo, café, etc.), álabes de turbinas,
hélices de helicópteros y en otros componentes.
En este trabajo, un estudio de erosión de partícula sólida, se llevo a cabo sobre
aceros inoxidables AISI/SAE 304, 316 y 410.usando cuatro ángulos de impacto
30°, 45°, 60° y 90°. Se presenta una comparación del desempeño de cada uno de
ellos contra este tipo de desgaste. Los mecanismos de desgaste se identificaron,
analizaron y se comprobó que son diferentes entre aceros inoxidables.
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CAPÍTULO I
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JUSTIFICACIÓN
La industria, en general, padece severas pérdidas por desgaste, siendo el proceso
de desgaste conocido como erosión de partícula sólida uno de los más
importantes con aproximadamente un 60% del desgaste total que se genera en la
misma. Debido a esto, se llevo a cabo esta investigación para conocer el
comportamiento de materiales, como son los aceros inoxidables AISI/SAE 304,
316 y 410, ante diferentes condiciones de prueba. Estudios donde se simulan los
problemas que suceden cotidianamente en la industria, a través de ensayos de
laboratorio, pueden ser de enorme beneficio para reducir los efectos del degaste
en componentes mecánicos e incrementar su vida útil.
Materias como: Ciencia de los materiales, estructura y propiedades de los
materiales, procesos de manufactura, mecánica de los materiales, diseño
mecánico, serán beneficiadas con este tipo de estudios. Este trabajo es parte de la
base que se está tratando de construir para introducir en un futuro cercano la
Tribología como experiencia educativa al programa de Ingeniería Mecánica de la
Universidad Veracruzana.
Razón de lo anterior se justifica la realización del presente estudio teniéndose
como principal objetivo que pueda servir como documento informativo para toda
persona interesada en el tema de la Tribología y los procesos de desgaste que de
ella se derivan.
Es importante mencionar que el acero inoxidable AISI/SAE 420, fue usado para
realizar las pruebas en lugar del acero inoxidable AISI/SAE 410. Por el motivo a
que este último no se encontró en las diferentes casas como PALMEXICO,
ACEROS FORTUNA, TELLERIA POZARICA que se dedican a la venta de aceros,
metales, etc.
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NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DEL TRABAJO
En este trabajo, se describe el desgaste que se produce por erosión de partícula
sólida a través de un flujo de partículas abrasivas de forma angular, impulsadas
por aire a presión, incidiendo sobre diferentes tipos de aceros inoxidable. El
equipo de erosión que se empleo se diseñó y construyó acorde a los principales
parámetros de funcionamiento establecidos por la norma ASTM G76-95, en la
Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Veracruzana en la región Poza
Rica – Tuxpan.
El sentido del trabajo es conocer el desempeño de los aceros inoxidables
mencionados anteriormente, cuando son sometidos a pruebas de erosión de
partícula sólida.
En el alcance del trabajo se pudieron confirmar estas observaciones previamente
vistas en otros trabajos y se pudo conocer el comportamiento de estos materiales
de prueba, cuando son expuestos a diversas condiciones. Tres
diferentes
materiales se evaluaron;aceros inoxidables AISI/SAE 304, 316 y 420, usando
cuatro diferentes ángulos de impacto; 30°, 45°, 60° y 90°. Adicionalmente, los
mecanismos de desgate involucrados serán identificados y analizados.
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ENUNCIACIÓN DEL PROBLEMA
Realizar pruebas de erosión de partícula sólida sobre aceros inoxidables usando
partículas abrasivas de forma angular para llevar a cabo una comparación del
desempeño de cada uno de los materiales de prueba y evaluar su resistencia
ante este tipo de desgaste.
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ESTRUCTURA DEL TRABAJO
Para su desarrollo, este trabajo se estructura de tres capítulos y su introducción.
En el capitulo I se tiene la justificación del trabajo, su naturaleza, sentido y su
alcance, enunciación del problema, estructura, planteamiento, hipótesis, además
de los procesos de la investigación.
Para el capitulo II, se tiene el desarrollo del tema, se menciona el marco
contextual, a si como el marco teórico y el análisis.
Finalmente en el capitulo III, se abordan todas las conclusiones obtenidas en la
investigación, Adicionalmente las proposiciones de la investigación.
Además, se menciona la bibliografía y anexos.
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PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN
Realizar
un
estudio
comparativo
sobre
el
desempeño
de
aceros
inoxidables;AISI/SAE 304, 316 y 420. Asimismo, evaluar su resistencia a la
erosión bajo diferentes condiciones de prueba. Finalmente, indicar y analizar los
mecanismos de desgaste causados por el ataque de partículas angulares sobre
las superficies.
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HIPÓTESIS DEL TRABAJO
Las hipótesis que fueron establecidas para el desarrollo de este trabajo, son las
siguientes:
 Demostrar que los aceros inoxidables presentan mayor desgaste en ángulos de
impacto más pequeños (30º y 45º).
 Comprobar que los aceros austeníticosinoxidables tienen un comportamiento de
tipo dúctil.
 Comprobar que un acero inoxidable martensítico tiene mayor resistencia (420)
a la erosión, que un acero inoxidable austenítico.
 Comprobar si un acero inoxidable martensítico exhibe un comportamiento de
tipo frágil. Esto debido a su dureza más alta.
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PROCESO DE LA INVESTIGACIÓN
1. Se revisaron artículos especializados sobre Tribología y erosión de partícula
sólida, donde los temas principales fueron los estudios realizados sobre aceros
inoxidables. Revistas de factor de impacto en desgaste, tales como: Wear
(Desgaste),
Tribology
International,
TribologyLetters,
Surface
and
CoatingsTechnology y MaterialsScience, fueron revisadas y los artículos con
mayor similitud se estudiaron.
2. Revisión de libros sobre Tribología y búsqueda en internet sobre erosión de
partícula sólida, en aceros inoxidables.
3. Se llevaron a cabo pruebas de erosión de partícula sólida sobre tres diferentes
aceros inoxidables que son: AISI/SAE 304, 316 y 420, usando cuatro diferentes
ángulos de impacto (30°, 45°, 60° y 90°).
4. Se analizaron los resultados de los ensayos e identificaron los mecanismos de
desgaste involucrados después del impacto de las partículas abrasivas.
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CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
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EXPOSICIÓN GENERAL.
Se expone de forma detallada, la forma de obtener las aleaciones de elementos
que conforman los aceros inoxidables que son utilizados en esteanálisis del
desgaste erosivo, así, como su aplicación en la industria, quirúrgica y en el uso
doméstico.En este trabajo, se citaron algunos casos de los más comunes en la
industria, donde se observa el fenómeno del desgaste erosivo, problema que llevo
a realizar este estudio,el cual consistió en poner a prueba 12 especímenes de tres
diferentes tipos de acero inoxidableAISI/SAE 304, 316 y 420. Impactados en su
superficie a ángulos de 30º, 45º, 60º y 90º, respectivamente, para cada tipo de
acero, en un intervalo de tiempo designado. Posteriormente, fue necesario utilizar
un microscopio electrónico para poder analizar e identificar los mecanismos de
desgaste causados por éste fenómeno.
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MARCO CONTEXTUAL.
Los ensayos de erosión por partícula solida fueron realizados en el Laboratorio de
Mecánica de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Veracruzana
en la Región Poza Rica-Tuxpan. Las medidas de pesaje para obtener la masa
perdida de los materiales se llevaron a cabo usando una balanza electrónica, que
tiene una exactitud de ± 0.0001g.
Las fotografías de las huellas de desgaste fueron obtenidas empleando un
Microscopio Electrónicode barrido (ScanningElectronMicroscope-SEM), mismo
que se encuentra en el Laboratorio de Mecánica en el Instituto Politécnico
Nacional.
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SUBTEMA
1.-DESGASTE
EROSIVO
EN
ACEROS
INOXIDABLES
1.1 ACEROS INOXIDABLES
El acero inoxidable se define como una aleación de hierro con un mínimo de 10%
de cromo contenido en masa.
El acero inoxidable es un acero de elevada pureza y resistente a la corrosión,
dado que el cromo, y otros metales que contiene, poseen gran afinidad por el
oxígeno y reaccionan con éste, formando una capa pasivadora,se refiere a la
formación de una película relativamente inerte, sobre la superficie de un material
(frecuentemente un metal), que lo enmascara en contra de la acción de agentes
externos. Aunque la reacción entre el metal y el agente externo sea
termodinámicamente factible a nivel macroscópico, la capa o película pasivante no
permite que éstos puedan interactuar, de tal manera que la reacción química
o electroquímica se ve reducida o completamente impedida, evitando así la
corrosión del hierro (los metales puramente inoxidables, que no reaccionan con
oxígenos son oro y platino, y de menor pureza se llaman resistentes a la corrosión,
como los que contienen fósforo). Sin embargo, esta capa puede ser afectada por
algunos ácidos, dando lugar a que el hierro sea atacado y oxidado por
mecanismos intergranulares o picaduras generalizadas. Algunos tipos de acero
inoxidable contienen además otros elementos aleantes; los principales son el
níquel y el molibdeno [1].
Como todos los tipos de aceros, el acero inoxidable es un material simple. Son
aleaciones capaces de presentar un amplio rango de resistencia a la corrosión,
resistencia mecánica y posibilidades de ser trabajado.
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Lo que tienen en común todos los aceros es que el principal componente
(elemento que forma la aleación) es el hierro, al que se añade una pequeña
cantidad de carbono. El acero inoxidable fue inventado a principios del siglo XX
cuando se descubrió que una pequeña cantidad de cromo (el mínimo para
conseguir propiedades inoxidables es del 12%) añadido al acero común, le daba
un aspecto brillante y lo hacía altamente resistente a la suciedad y a la oxidación.
Esta resistencia a la oxidación, denominada «resistencia a la corrosión», es lo que
hace al acero inoxidable diferente de otros tipos de acero.
El acero inoxidable, es un material sólido y no un revestimiento especial aplicado
al acero común para darle características "inoxidables".
Aceros comunes, e incluso otros metales, son a menudo cubiertos o “bañados”
con metales blancos como el cromo, níquel o zinc, para proteger sus superficies o
darles otras características superficiales. Mientras que estos baños tienen sus
propias ventajas y son muy utilizados, el peligro radica en que la capa puede ser
dañada o deteriorarse de algún modo, lo que anularía su efecto protector. La
apariencia del acero inoxidable puede, sin embargo, variar y dependerá en la
manera que esté fabricado y en su acabado superficial.
Su resistencia a la corrosión es lo que da al acero inoxidable su nombre. Sin
embargo, justo después de su descubrimiento se apreció que el material tenía
otras muchas valiosas propiedades que lo hacen idóneo para una amplia gama de
usos diversos. Las posibles aplicaciones del acero inoxidable son casi ilimitadas,
hecho que puede comprobarse con tan sólo algunos ejemplos:
En el hogar: Cubertería y menaje, fregaderos, sartenes y baterías de cocina,
hornos y barbacoas, equipamiento de jardín y mobiliario.
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En la ciudad: Paradas de autobús, cabinas telefónicas y resto de mobiliario
urbano, fachadas de edificios, ascensores y escaleras, vagones de metro e
infraestructuras de las estaciones.
En la industria: Equipamiento para la fabricación de productos alimentarios y
farmacéuticos, plantas para el tratamiento de aguas potables y residuales, plantas
químicas y electroquímicas, componentes para autos y aeronáutica, depósitos de
combustible y productos químicos.
Las aleaciones de acero inoxidable comerciales, más comunes son las siguientes:
Acero inoxidable extra suave: Contiene un 13% de Cr y un 0.15% de C. Se utiliza
en la fabricación de elementos de máquinas, álabes de turbinas, válvulas, etc.
Acero inoxidable 16Cr-2Ni: Tiene 0.20% de C, 16% de Cr y 2% de Ni; resistencia
mecánica de 95 kg/mm² y una dureza de 275-300 HB. Se suelda con dificultad, y
se utiliza para la construcción de álabes de turbinas, ejes de bombas, utensilios de
cocina, cuchillería, etc.
Acero inoxidable al cromo níquel 18-8: Tiene un 0.18% de C, un 18% de Cr y un
8% de Ni. Tiene una resistencia mecánica de 60 kg/mm² y una dureza de 175200HB, Es un acero inoxidable muy utilizado porque resiste bien el calor hasta
400 °C.
Acero inoxidable al Cr- MnTiene un 0.14% de C, un 11% de Cr y un 18% de Mn.
Alcanza una resistencia mecánica de 65 kg/mm² y una dureza de 175-200HB. Es
soldable y resiste bien altas temperaturas. Es magnético. Se utiliza en colectores
de escape. En la tabla 2.1 se presentan las propiedades generales de los aceros
inoxidables.
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Tabla 2.1 propiedades generales de los aceros inoxidables
Tipo
Resistencia a la
corrosión
Dureza
Martensíticos
Baja
Alta
Ferríticos
Buena
Austeníticos
Excelente
Magnéticos
Endurecibles por
Tratamiento térmico
Soldabilidad
Si
Si
Pobre
Media
Si
No
Limitada
Alta
No
No
Excelente
1.1.1 ACEROS INOXIDABLES AUSTENÍTICOS
Los aceros inoxidables austeníticos no son magnéticos y no pueden ser
endurecidos por tratamiento térmico. Son muy dúctiles y presentan excelente
soldabilidad. Los aceros inoxidables austeníticos tienen una excelente resistencia
a la corrosión y en términos generales son fácilmente soldables. (Ref. Acero tipo
AISI/SAE 304). [2].
El inoxidable austenítico, es el más popular de los aceros inoxidablesque
contienen básicamente 18% de cromo y 8% de níquel, con un tenor de carbono
limitado a un máximo de 0.08%. Tiene gran aplicación en las industrias químicas,
farmacéuticas, de alcohol, aeronáutica, naval, uso en arquitectura, alimenticia, y
de transporte.
Son aleaciones no magnéticas endurecibles por conformado en frío (en cuyo caso
es posible que se vuelvan ligeramente magnéticas), pero no por tratamiento
térmico.
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El acero inoxidable AISI/SAE 304, muestra propensión a una forma de corrosión
llamada corrosión por picado. Es un tipo de corrosión extraordinariamente
localizada, en la cual en determinados puntos de la superficie del material, el
medio agresivo consigue quebrar la película pasiva para después progresar en
profundidad.
El crecimiento de los picados se da en un proceso autocatalítico (Se refiere a que
las picaduras son una forma localizada de corrosión en la que el ataque está
encerrado a muchas cavidades pequeñas en la superficie del metal. Las
cavidades que se forman pueden variar en cantidad, tamaño y forma),y aunque la
pérdida de masa pueda ser a veces insignificante, esta forma de corrosión es muy
engañosa, ya que muchas veces un picado es suficiente para dejar un equipo
fuera de servicio.
La corrosión por rendijas, puede ser considerada como una corrosión por picado
artificial. El aspecto es frecuentemente semejante al de la corrosión por picado y el
proceso de crecimiento es también autocatalítico. Pero, la existencia de una
rendija es necesaria para la ocurrencia del fenómeno, lo que no sucede en la
corrosión por picado. Los mismos medios capaces de provocar la corrosión por
picado, promueven la corrosión por rendijas en los aceros inoxidables.
El molibdeno (Mo), es introducido como elemento de aleación en los aceros
inoxidables precisamente para disminuir la susceptibilidad a estas formas de
corrosión. La presencia de molibdeno permite la formación de una capa pasiva
más resistente y en casos en que el inoxidable AISI/SAE 304 no resiste a la acción
de determinados medios, corroyéndose por picado o por rendijas.
Cuando están sometidos por algún tiempo a temperaturas entre 450 y 850 ºC, los
aceros inoxidables austeníticos están sujetos a la precipitación de carburos de
cromo en sus contornos de granos, lo que los torna sensibles.
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Esta precipitación abundante de carburos, la sensibilización, resulta en la
disminución del tenor de cromo en las regiones vecinas a los bordes, regiones que
tienen así su resistencia a la corrosión drásticamente comprometida, tornando el
material susceptible a la corrosión intergranular en ciertos medios.
Las
zonas
térmicamente
afectadas
por
operaciones
de
soldado
son
particularmente sensibles a esta forma de corrosión, ya que durante el ciclo
térmico de soldado, parte del material es mantenido en la faja crítica de
temperaturas.
La consideración de este fenómeno llevó al desarrollo de los inoxidables
austeníticos extra bajo carbono, 304L, 316L, en los cuales el tenor de carbono es
controlado en un máximo de 0.03%, quedando así extremadamente reducida la
posibilidad de sensibilización.
La utilización de estabilizadores tiene también la finalidad de evitar el problema de
la sensibilización. El titanio (Ti), adicionado como elemento de aleación, inhibe la
formación de carburo de cromo debido al hecho de tener una afinidad mayor por el
carbono que aquella que tiene el cromo. Así, se precipita carburo de titanio y el
cromo permanece en solución sólida. Con la misma finalidad, puede ser utilizado
el niobio (Nb).
El niobio (o columbio), es un elemento químico de número atómico 41 situado en
el grupo 5 de la tabla periódica de los elementos. Es un metal de transición dúctil,
gris, blando y poco abundante. Se encuentra en el mineral niobita, también
llamado columbita, y se utiliza en aleaciones. Se emplea principalmente aleado en
aceros, confiriéndoles una alta resistencia. Se descubrió en el mineralniobita y a
veces recibe el nombre de columbio. Tanto el titanio como el niobio son
estabilizadores del carbono y los aceros inoxidables así obtenidos.
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El inoxidable AISI/SAE 316 T es la versión estabilizada del tipo AISI/SAE 316.
Para aplicaciones en equipos que operan entre 400 y 900 ºC, los aceros
inoxidables estabilizados son los más recomendados, ya que conservan mejores
propiedades mecánicas en esas temperaturas que los aceros de extra bajo
carbono.
En atmósferas que contengan aire salino o humos procedentes de fábricas de
productos químicos, la adición de molibdeno aumenta la resistencia a la corrosión,
como es el caso con el tipo AISI/SAE 316.
La aleación AISI/SAE 316, es un acero inoxidable austenítico de uso general con
una estructura cúbica de caras centradas. Es esencialmente no magnético en
estado recocido y sólo puede endurecerse en frío. Se añade molibdeno (Mo), para
aumentar la resistencia a la corrosión especialmente en entornos que contienen
cloruros.
El acero inoxidable AISI/SAE 316 tiene una resistencia a la corrosión ligeramente
mejor que
el AISI/SAE 304. En los casos en que se pretende una buena
resistencia mecánica y no existe gran preocupación por la corrosión intergranular,
los aceros inoxidables AISI/SAE 304 y 316, con tenores de carbono en el rango de
0.04 a 0.10%, son recomendados. La precipitación de una fina red de carburos de
cromo, tan perjudicial bajo el punto de vista de la corrosión, se torna benéfica
cuando lo que interesa son las propiedades mecánicas.
Aumentos considerables en los tenores de cromo y níquel permiten elevar la
temperatura de formación de cascarilla (escamado) de los aceros inoxidables
austeníticos. El inoxidable AISI/SAE 304, es recomendado para trabajo al aire
libre, a temperaturas inferiores a 925 ºC en servicios continuos.
Grandes aumentos de níquel (Ni), llevan a las aleaciones Ni-Cr-Fe, donde el
elemento con mayor presencia en el material ya no es el hierro (Fe), sino el
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níquel.Estos materiales no son conocidos como aceros inoxidables, sino como
aleaciones a base de níquel y presentan excelente resistencia a la corrosión en
diversos medios a altas temperaturas.
El elevado tenor de níquel da también garantía de una buena resistencia a la
corrosión bajo tensión.
El inoxidable AISI/SAE 304 es un material con excelente ductilidad. Para casos de
estampado extra profundo, un aumento en el tenor de níquel permite mejorar
todavía más la ductilidad.
1.1.2 ACEROS MARTENSITICOS
En los aceros inoxidables martensíticos, el carbono está en una concentración tal,
que permite la formación de austenita a altas temperaturas, que a su vez se
transforma en martensita durante el enfriamiento.
La martensita es una fase rica en carbono, frágil y extraordinariamente dura. Los
aceros inoxidables martensíticos tienen la característica común de ser magnéticos
y endurecibles por tratamiento térmico, presentando cuando templados una
microestructura acicular (en forma de agujas). [3].
Es importante observar que estos aceros son normalmente producidos por la
industria siderúrgica en estado recocido, con ductilidad razonablemente buena.
Solamente después de templados, serán muy duros y poco dúctiles. Pero es
precisamente en esta condición (templados), que serán resistentes a la corrosión.
El más utilizado de los aceros inoxidables martensíticos es el tipo AISI/SAE 420.
En estado recocido (estructura ferrítica), no presenta buen comportamiento frente
a la corrosión atmosférica. Esto, porque durante la operación de recocido, a una
temperatura aproximada de 760 ºC, el carbono y el cromo se combinan para
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formar carburos de cromo representándose con la formula química, (Cr23C6).
Cada molécula de carburo de cromo contiene, en peso, aproximadamente 95% de
cromo.
La alta dureza y la consecuente resistencia al desgaste, determinan las
aplicaciones de este material, utilizado en cuchillería, discos de freno, equipos
quirúrgicos, odontológicos y turbinas.
Considerando el alto tenor de carbono y el bajo tenor de cromo del acero
inoxidable AISI/SAE 420 (aproximadamente 0.35%C y 12.50% Cr), como todo el
carbono se precipita como carburo de cromo durante el recocido, esta
precipitación retirará de la solución sólida aproximadamente la mitad del cromo
disponible.
En esta condición, el material no resiste a la corrosión y no puede ser considerado
propiamente como un acero inoxidable (ya que no tiene un mínimo de 11% de
cromo en solución sólida).
Por eso, el acero inoxidable AISI/SAE 420, es colocado en servicio por el usuario,
solamente después de un tratamiento de temple. Cuando templado, el carbono
forma parte de la fase martensítica, no siendo encontrado en la aleación
precipitado como carburo de cromo. [4].
Un acero AISI/SAE 420 inoxidable es para moldes, de alta calidad, utilizado en
aplicaciones que requieren una buena combinación de resistencia a la corrosión y
resistencia al desgaste. Es refundido para lograr uniformidad en su micro
estructura y niveles de micro-limpieza requeridos para aplicaciones críticas y
acabado de pulido a espejo.
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Los moldes fabricados con
acero
“SISA
420
INOX”,(Servicio
Industrial
S.A.DE.C.V) son resistentes a la oxidación y picaduras por enfriamiento con agua
o por condensación y pueden ser guardados por periodos prolongados
necesitando un mínimo de mantenimiento.
La alta dureza y la consecuente resistencia al desgaste, determinan las
aplicaciones de este material, utilizado en cuchillería, discos de freno, equipos
quirúrgicos, odontológicos y turbinas.
Si la cantidad elevada de carbono es un inconveniente en el acero inoxidable
AISI/SAE 420 en estado recocido, una solución lógica es la de disminuir este
tenor. Como este material tiene un máximo de 0.15% de carbono, esta cantidad no
es suficiente para remover tanto cromo de la solución sólida y, consecuentemente,
presenta una buena resistencia a la corrosión atmosférica, tanto en la condición de
recocido como de templado. Después del tratamiento de temple, las durezas
alcanzadas por este material no son tan altas como las presentadas por el
inoxidable 420.Aumentando la cantidad de azufre se obtiene el inoxidable “420 F”,
una variedad del 420, con buena maquinabilidad.[5].
1.1.3 APLICACIONES DE LOS ACEROS INOXIDABLES
Los aceros inoxidables ofrecen resistencia a la corrosión, una adecuada relación
resistencia mecánica-peso, propiedades higiénicas, resistencia a temperaturas
elevadas y criogénicas que se denomina también el congelamiento ultra frío, es
una técnica utilizada para enfriar materiales a temperaturas muy bajas, para lograr
estas temperaturas se usan diversos productos siendo los más conocidos el
nitrógeno (N) y el helio (He).
Los aceros inoxidables son ampliamente utilizados en varios sectores, desde la
más sofisticada aplicación industrial hasta los utensilios domésticos. Contribuyen,
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de manera indirecta, a satisfacer las necesidades humanas básicas, tales como
alimentación, salud, construcción, medio ambiente, transporte y energía.
Los aceros austeníticos (resistente a la corrosión) pueden tener su aplicación en la
industria, algunos ejemplos son: Los equipos de procesos químicos y
petroquímicos,
equipos
de
proceso
de
alimentos
y
bebidas,
equipos
farmacéuticos, cámaras de combustión, sistemas de escape y filtros automotrices,
vagones de ferrocarril, aplicaciones arquitectónicas y estructurales, mobiliario
urbano, paneles de aislamiento térmico, intercambiadores de calor, tanques y
recipientes, barriles de cerveza.
Los aceros martensíticos (dureza elevada) se aplican en instrumentos quirúrgicos,
como bisturí y agujas hipodérmicas ( producto sanitario formado por una aguja
hueca normalmente utilizada con una jeringa para inyectar sustancias en el
cuerpo. También pueden ser utilizados para tomar muestras de líquidos y tejidos
del cuerpo, por ejemplo tomando sangre de una vena en la venopunción. Son
principalmente de acero inoxidable), monedas,
discos de frenos, cubiertos,
lavadoras, lavavajillas y utensilios de cocina. En la industria química y
petroquímica, los aceros inoxidables ofrecen elevada resistencia a la corrosión y
excelentes propiedades mecánicas, así como un bajo costo de mantenimiento. En
la industria de alimentos y bebidas y en la industria farmacéutica, proveen
excelentes condiciones de higiene además de su resistencia a la corrosión y
duración a largo plazo.
En las siguientes imágenes se pueden observar algunos ejemplos de donde se
emplea éste material en nuestra vida diaria y en la industria, mecánica.
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(a)
(b)
(c)
Fig. 2.1 a) Horno de micro ondas, b) Charolas y c)
Rayadores de verduras.
(a)
(b)
Fig. 2.2 (a) Electrodomésticos y (b) Línea blanca. [7].
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(a)
(b)
(c)
Fig. 2.3. (a) Llaves hechas de acero inoxidable, (b)
Caja de seguridad, y (c) Abrazadera. [8].
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(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
Fig. 2.4. (a) y (d)Estructuras hechas de acero inoxidable en su totalidad, (b)
Mallas, (c) Ángulos y (e) Cable de acero.[9].
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(a)
(b)
(d)
(c)
(e)
fig. 2.5. (a) Tipos de tubos de escape, (b) Baleros, (c) Tornillos y tuercas, (d) Discos para frenos
de automóvil y (e) Remaches. [11].
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(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
Fig. 2.6. (a) Llave de paso, (b) Cadenas y engranes, (c) Válvulas, (d) Tubería para perforación
y (e) Álabes de una turbina. [11].
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1.2 CASOS DE DESGASTE EROSIVO EN ACEROS INOXIDABLES
AISI/SAE 304, 316 Y 420.
En el ramo industrial,se presenta este problema de forma muy cotidiana afectando
el rendimiento y la calidad de los procesos que realizan los mecanismos de
algunas máquinas, además de tuberías que transportan fluidos a alta presión.
Algunos ejemplos, dónde se puede notar un severo daño por este fenómeno son:
los álabes de turbinas, bombas de transporte de fluidos, además también de
tubería de ductos y válvulas de paso.
A continuación, en la Figura (2.7), se muestra un caso real del desgaste erosivo.
Fig.2.7.Imagen real del desgaste erosivo en álabes de un primo motor.[12].
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En la figura (2.7), se muestra la imagen donde se ve una parte de la turbina
afectada, (parte esencial de un primo motor de un generador eléctrico),
severamente por el paso del fluido, en este caso, agua que en su transcurso fue
contaminada por partículas tales como arena y/o pequeñas partículas de piedra,
estas últimas relacionadas con la velocidad que adquiere el agua debido a la caída
que alcanza hasta impactar los álabes, esto para mover la turbina.[12].
También las carcasas y distribuidores en turbinas hidráulicas, están sometidas al
impacto constante de cuerpos extraños provocando desgaste. En la fisura del
rodete se producen parcialmente profundas escoriaciones por los efectos de la
erosión.En la Figura (2.8), se muestran otros lugares donde se presenta éste
fenómeno.
fig. 2.8. Las paredes del rodete afectadas. [13].
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En la Figura 2.9, se presenta un álabe dañado debido al impacto de las partículas
abrasivas que son impulsadas por un flujo de aire.
fig. 9. En la parte señalada se muestra un alabe dañado. [13].
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SUBTEMA 2. PRUEBAS EXPERIMENTALES
2.1 SELECCIÓN DE MATERIALES
Los materiales que fueron empleados en las pruebas fueron aceros inoxidables
AISI/SAE 304, 316 y 420, los dos primeros de la familia de los austeníticos y el
último de los martensiticos. Estos materiales son frecuentemente utilizados en la
industria y partes fundamentales de equipos o máquinas, como en tubería de alta
presión. Y en fabricación de álabes de turbina. La morfología de los materiales
antes de ser sometidos a las pruebas de desgaste por erosión de partícula solida,
se presenta en la Figura 2.10.
ACEROS INOXIDABLES
304
316
420
Fig. 2.10.- Superficies de aceros inoxidables, antes de ser desgastadas.
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A continuación, se muestra la composición química de los materiales obtenidas de
la información técnica del proveedor.Esto se presenta en la Tabla 2.2. Además se
muestran los valores de dureza de los materiales en la tabla 2.3.
Tabla 2.2.ComposiciónQuímica de los aceros inoxidables.
Composición química (%)
Materiales
C
Si
Mn
Cr
Ni
0.08
1.00
2.00
18.00-
8.00-
16.00
10.50
16.00-
10.00-
2.00-
18.00
14.00
3.00
304
0.08
1.00
2.00
316
420
0.38
0.40
0.45
Mo
13.60
V
0.30
Análisis químico según Norma Nacional NMX B-83 % en peso [14].
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Tabla2.3. Dureza de los aceros inoxidables. [15].
Materiales de prueba
Dureza Vickers (HV)
304
160
316
150
420
200-240
Los especímenes que fueron utilizados en las pruebas tuvieron una forma
rectangular, con dimensiones de 50 x 25 mm y 5mm de espesor, como se muestra
en la Figura No. 2.11.
25mm
50 mm
5 mm
Fig. 2. 11. Dimensiones del espécimen de prueba.
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Las partículas que se emplearon para realizar estas pruebas, fueron carburo de
silicio (SiC), estas partículas presentaron una forma angular, como lo mostrado en
las siguientes imágenes de la Fig. 2.12. Con un tamaño entre 420-450 µm, estas
fueron usadas con el propósito de acelerar el proceso de desgaste y evaluar el
desempeño de estos materiales bajo condiciones severas de erosión.
(a)
(b)
Fig.2.12. Carburo de silicio, (a) Morfología natural, (b) Micrografía de partículas de SiC. [16].
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2.2 CONDICIONES DE LAS PRUEBAS
Las pruebas de erosión se llevaron a cabo empleando un equipo similar al
presentado en la norma ASTM G76-95. En la Fig.2.13, se muestra un diagrama
esquemático del equipo, donde se realizaron las pruebas. En este equipo, las
partículas de carburo de silicio (SiC) son aceleradas a través de un tubo de acero
inoxidable empleando un flujo de aire a presión, el cual lleva a las partículas a
impactar la superficie del material de prueba. Los materiales fueron expuestos
durante 10 minutos a erosión severa, aunque cada espécimen fue removido en
intervalos de 2 minutos, para determinar la pérdida de masa con respecto al
tiempo para facilitar el estudio y obtener un detallado proceso. Los ángulos, a los
que fueron ubicados los especímenes para el impacto de la mezcla (aireabrasivo), fueron 30º, 45º, 60º y 90º. Estos ángulos fueron determinados para
evaluar el rendimiento de los materiales, y así poder determinar si el
comportamiento de estos, es similar al que sufren algunos componentes de
máquinas, válvulas de paso y tuberías de alta presión, que se utilizan en las
empresas y fabricas del ramo industrial. Además, se empleó una presión de 55
psi, una velocidad de partícula de 24 ± 2 m/s y una tasa de flujo abrasivo de 0.7 ±
0.5 g/m, para provocar el desgaste y reducir los efectos de interacción entre las
partículas incidentes y las partículas que rebotan.
Este efecto fue reducido en los ángulos de impacto más bajos, tales como 30º y
45º, donde las partículas abrasivas comúnmente impactan al material, se deslizan
a lo largo de la superficie y finalmente dejan la superficie, sin embargo, una mayor
interacción entre partículas, fue observada en los ángulos de 60º y 90º.
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Ducto de aire
Flujo abrasivo de partículas
Contenedor de partículas
abrasivas
Inyector de aire
Manómetro
Partículas SiC
Zona de mezcla entre
partículas abrasivas de
SiC con aire
Vacuómetro
Espécimen
Zona de erosión
.
Fig. 2.13. Diagrama esquemático del equipo utilizado
En todas las pruebas, los especímenes estuvieron separados 10 mm de la parte
final del tubo de acero inoxidable. Este tubo encargado de transportar la mezcla de
partículas abrasivas y aire a presión, tuvo un diámetro interno de 4.7 mm, un
diámetro externo de 6.3 mm (1/4 in) y una longitud de 270 mm.
El equipo que se utilizó, para realizar los pesajes, fue una balanza analítica con
una exactitud de ± 0.0001g. Antes de someter el espécimen a los efectos de la
prueba, se realizó el pesaje correspondiente para saber su masa inicial (Wi),
posteriormente fue removido cada 2 min, limpiados usando etanol y pesados
nuevamente, para determinar la cantidad de masa perdida. Este procedimiento fue
realizado para cada espécimen. Las micrografías de las superficies erosionadas
fueron obtenidas usando un microscopio electrónico(OLYMPUS GX51), para
analizar los especímenes e identificar los posibles mecanismos de desgaste.
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2.3 RESULTADOS DE LAS PRUEBAS DE EROSION
2.3.1 INDENTIFICACION DE LOS MECANISMOS DE DESGASTE
Durante la realización de las pruebas, sobre los aceros inoxidables, a diferentes
ángulos de incidencia, fue evidente el daño que provoca este tipo de desgaste y
más aún cuando es intenso. Cuando se realizó la primera prueba, enel primer
intervalo de tiempo de 2 min, ya se notaba un daño considerable sobre el
espécimen, posteriormente con el paso de los intervalos. Esto fue suficiente para
entender y comprender el comportamiento de estos materiales ante erosión. A
continuación, se muestra en la tabla 2.4 – 2.6, las imágenes de los resultados de
las pruebas,después de 10 min. de erosión, causada por el flujo compuesto de
carburo de silicio (SiC) y aire, a una presión constante de 55 psi.
30°
FIME
Tabla 2.4 acero inoxidable 304.
45º
60º
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90º
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30º
Tabla 2.5 acero inoxidable 316.
45º
60º
90º
Tabla 2.6 acero inoxidable 420.
30°
FIME
45º
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60º
90º
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Observando detenidamente las imágenes de los resultados de las pruebas, es
posible notar claramente, que el área de la huella de desgaste se torna más
alargada conforme va reduciendo el ángulo de impacto. La huella de desgaste
tiene una forma elíptica en 30º y 45º, mientras que en 60º y 90º, adopta una forma
casi circular. Esta geometría que se forma al impacto del flujo, es relacionada a la
orientación del espécimen cuando éste es posicionado para ser impactado a los
diferentes ángulos.
Para llevar a cabo la identificación de los mecanismos de desgaste fue necesario
utilizar un microscopio electrónico de barrido, para tomar las micrografías del
desgaste generado en los especímenes de estudio. En la Figura 2.14 se presenta
el microscopio electrónico de barrido (ScanningElectronMicroscope-SEM)
(a)
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(b)
(c)
Fig. 2.14. (a), (b) y (c) Diferentes vistas delmicroscopio electrónico de
barrido (ScanningElectronMicroscope-SEM)).
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En la Figura 2.15, es posible observar las huellas de desgaste producidas sobre
acero AISI 304, a 30° y 90°. En la figura 2.15a, se observa un desprendimiento de
material excesivo el cual se aloja sobre la superficie del material. Residuos de
desgaste (weardebris), acciones de arado e indentacionesirregulares sobre la
superficie son claramente observados. Algunos agujeros rellenos con residuos de
desgaste son vistos también. Es importante mencionar que el desprendimiento de
material excesivo es uno de los hallazgos más llamativos de este trabajo, ya que
normalmente los aceros inoxidables tienen una deformación más plástica que por
fractura, como lo observado en las fotografías.
Material desplazado
Residuos de desgaste (wear debris)
Residuos de desgaste
(wear debris)
Acción
de
Arado
(a)
Partículas incrustadas en agujeros
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Con respecto al acero, cuando fue impactado a 90° (Figura 2.15b), se ven
claramente algunas cavidades sobre la superficie del material, además de restos
de partículas que pudieron ser tanto del abrasivo como del mismo material
desgastado. Además, es posible observar una clara muestra de una acción de
arado donde se ve la trayectoria que tuvo la partícula y como fue desplazando
hacia los lados al material.
Cavidades sobre la superficie
Acción de Arado
Residuos de desgaste (wear debris)
(b)
Fig. 2.15. Erosión sobre acero inoxidable 304, (a) 30° a 1000X, (b) 90°a 1000X.
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En la Figura 2.16, se observa el daño producido sobre la superficie del acero
inoxidable austenítico 316 a 30° y 90°, respectivamente. En lo que respecta a 30°,
se pueden identificar mecanismos de desgaste como arado con material
acumulado al final de la trayectoria de la partícula abrasiva, residuos de desgaste
en diferentes sectores de la huella y agujeros que son tapados por el mismo
material desprendido durante la prueba. Además, material que fue aplastado por
impactos de partícula, y quedo untado sobre la superficie del material.
Acción de arado
Material acumulado
Agujeros tapados con
residuos de desgaste
Material aplastado
(a)
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Por otra parte, el daño por erosión sobre 316 a 90°, esta caracterizado por una
superficie mucho más rugosa que la observada a 30°. Aquí, el desprendimiento de
material fue más pronunciado, llenando algunas cavidades, con grandes pedazos
que fueron arrancados por el impacto de las partículas abrasivas. Este daño es
similar al desgaste producido en materiales considerados como frágiles en previos
estudios de erosión.
Pedazos de material
Residuos de desgaste
Agujeros (cavidades)
(b)
Fig. 2.16. Erosión del acero inoxidable 316 a) 30º a 1000X y b) 90º a 1000X.
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En la figura 2.17, es posible observar las huellas de desgaste producidas sobre
acero AISI 420, a 30° y 90°. En la figura 2.17a, se observan rasguños (scratches)
y acciones de aradocon material desplazado hacia los lados. La trayectoria que
siguieron las partículas abrasivas al hacer contacto con la superficie de este
material es claramente observada. Algunas ranuras son también vistas. A
diferencia de los aceros inoxidables 304 y 316, este material fue dañado por
deformación
plástica
con
material
desplazado
en
lugar
de
excesivo
desprendimiento de material (pedazos fracturados).
Material desplazado
Trayectoria de la partícula
Ranura
Material desplazado
Indentaciones (scratches)
(a)
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En lo que respecta a la Figura 2.17c, se presenta el daño ocasionado sobre este
acero a 90°, donde se observa una superficie mucho más rugosa que la vista en
30°, con indentaciones irregulares ubicadas en diferentes posiciones, residuos de
material (pequeños pedazos) y algunos cráteres, a diferencia de los otros dos
materiales y pequeños agujeros sobre la superficie.
Indentaciones (scratches)
Cráteres
Picado (agujeros)
(b)
Fig. 2.17. Erosión sobre acero inoxidable 420, (a) 30°, Magnificación 1000X,
(b) 30°, Magnificación 1000X (c) 90°.
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2.3.2 GRAFICOS DE PÉRDIDA DE MASA VS TIEMPO.
Los resultados de la pérdida de masa de los materiales de prueba fueron
obtenidos usando la siguiente fórmula.
Pérdida de masa = Peso inicial – Peso perdido cada 2 min.
(1)
Para llevar a cabo esto, fue necesario obtener un peso inicial de cada una de los
especímenes, antes de ser desgastados. Posteriormente, los especímenes fueron
removidos cada 2 min. Para medir la masa perdida, se utilizó una balanza digital
mostrada en la Fig. 2.17 (modeloWH Series –ElectronicAnalytical Balance), con
esta se realizaron las medidas de pesaje, se contó con el apoyo de los profesores
del laboratorio de química quienes brindaron la asesoría para poder manipular la
balanza electrónica.
Fig.2.18. Balanza electrónica.
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En tablas 2.5 – 2.8 se presentan los resultados obtenidos de la pérdida de masa
vs tiempo de cada uno de los materiales de prueba a diferentes ángulos de
impacto.
Tabla2.5. Pérdida de masa en gramos (gr), a un ángulo de impacto 30°.
Pérdida de masa (gr)
Acero
304
316
420
2
0.1611
0.1050
0.0166
4
0.3376
0.2025
0.0351
6
0.4451
0.3709
0.0565
8
0.5793
0.4645
0.0780
10
0.6928
0.5626
0.1011
Tiempo (min)
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Tabla 2.6. Pérdidade masaen gramos (gr), a un ángulo de impacto de 45°.
Pérdida de masa (gr)
Acero
304
316
420
2
0.1318
0.1567
0.0115
4
0.2760
0.3074
0.0302
6
0.3955
0.4517
0.0421
8
0.4082
0.5812
0.0552
10
0.5803
0.7021
0.0683
Tiempo (min)
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Tabla 2.7. Pérdida de masa en gramos (gr), a un ángulo de 60°.
Pérdida de masa (gr)
Acero
304
316
420
2
0.1237
0.1626
0.0173
4
0.5830
0.3241
0.0360
6
0.7121
0.5154
0.0527
8
0.8662
0.7031
0.0683
10
1.0875
0.8897
0.0895
Tiempo (min)
FIME
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Tabla2.8. Pérdida de masa en gramos (gr) a un ángulo de impacto de 90°.
Pérdida de masa (gr)
Acero
304
316
420
2
0.0868
0.37718
0.0148
4
0.2585
0.4710
0.0290
6
0.4148
0.5598
0.0448
8
0.5394
0.6240
0.0618
10
0.7755
0.7398
0.0743
Tiempo (min)
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AISI/SAE 304, 316 Y 410
AISI 316
AISI 304
AISI 420
Lineal (AISI 316)
Lineal (AISI 304)
Lineal (AISI 420)
1
0.9
Mass Loss (g)
0.8
y = 0.0653x + 0.0517
0.7
0.6
0.5
0.4
y = 0.0589x - 0.012
0.3
0.2
y = 0.0106x - 0.0061
0.1
0
0
2
4
6
8
10
12
Time (min)
(a)
AISI 316
AISI 304
AISI 420
Lineal (AISI 316)
Lineal (AISI 304)
Lineal (AISI 420)
1
0.9
Mass Loss (g)
0.8
y = 0.0439x + 0.2914
0.7
0.6
y = 0.0829x - 0.0825
0.5
0.4
0.3
0.2
y = 0.0076x - 0.0006
0.1
0
0
2
4
6
8
10
12
Time (min)
(b)
FIME
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Mass Loss (g)
ANALISIS DEL DESGASTE EROSIVO EN ACEROS INOXIDABLES
AISI/SAE 304, 316 Y 410
AISI 304
AISI 316
AISI 420
Lineal (AISI 304)
Lineal (AISI 316)
Lineal (AISI 420)
1.2
1.1
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
y = 0.1132x - 0.0152
y = 0.0682x + 0.0304
y = 0.0088x - 0.0003
0
2
4
6
8
10
12
Time (min)
(c)
AISI 304
AISI 316
AISI 420
Lineal (AISI 304)
Lineal (AISI 316)
Lineal (AISI 420)
1
0.9
y = 0.0829x - 0.0825
Mass Loss (g)
0.8
0.7
y = 0.0439x + 0.2914
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
y = 0.0076x - 0.0006
0.1
0
0
2
4
6
8
10
12
Time (min)
(d)
Fig. 2.19. Gráficos de masa perdida vs tiempo, (a) 30º, (b) 45°, (c) 60°, (d) 90°.
FIME
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AISI/SAE 304, 316 Y 410
2.3.3 GRAFICOS DE EROSION TOTAL VS ANGULO DE IMPACTO.
La tasa de erosión total (g/g) fue obtenida dividiendo la pérdida de masa total entre
la masa total de partículas impactando la superficie después de 10 min. Esta masa
total de partículas fue obtenida usando el flujo abrasivo de 0.7 g/min. Los 0.7 gr,
fueron multiplicados por 10 min., para obtener el total de la masa de partículas que
incidieron sobre la superficie de los materiales. Entonces, la masa total fue de 7 gr,
por 10 min., que fue la duración de cada una de las pruebas. La fórmula usada es
como sigue,
Tasa de Erosión Total =
Pérdida de masa total
(g)
……………….(1)
Masa total de partículas impactando
(g)
En las tablas 2.9 – 2.10 presentan los resultados de la pérdida de masa contra el
ángulo de impacto y además los resultados de la tasa de erosión total contra el
ángulo de impacto, respectivamente.
Tabla 2.9. Grafica de pérdida de masa vs ángulo de impacto.
AISI/SAE 304
AISI/SAE 316
AISI/SAE 420
Masa perdida (g)
Masa perdida (g)
Masa perdida (g)
30
45
60
0.2589
0.0912
0.0982
0.2087
0.5001
0.5734
0.0271
0.0787
0.327
90
0.0049
0.0058
0.2477
Angulo de
impacto(α)
FIME
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ANALISIS DEL DESGASTE EROSIVO EN ACEROS INOXIDABLES
AISI/SAE 304, 316 Y 410
Tabla 2.10. Grafica de erosión total vs ángulo de impacto.
AISI/SAE 304
AISI/SAE 316
AISI/SAE 420
Tasa de erosión
total (g/g)
Tasa de erosión
total (g/g)
Tasa de erosión
total (g/g)
30
0.036985714
0.014028571
0.071442857
45
0.013028571
0.029814286
0.081914286
60
0.003871429
0.011242857
0.046714286
90
0.0007
0.000828571
0.035385714
Angulo de
impacto(α)
Figura 2.20 muestra el comportamiento típico de materiales dúctiles y frágiles
cuando son sometidos a pruebas de erosión de partícula sólida [3]. Aquí, es
posible observar que los materiales de tipo dúctil presentan una mayor tasa de
erosión en ángulos de impacto más bajos (α ≤ 45°) mientras que los materiales de
tipo frágil exhiben una tasa de erosión más alta en ángulos cercanos a la
incidencia normal (α > 45°).Esto es porque en ángulos de incidencia más bajos las
partículas abrasivas impactan la superficie e inmediatamente después se deslizan
sobre ella provocando un desgaste por rozamiento sobre la superficie. Esta
combinación hace que el daño sea más intenso en ángulos más bajos de impacto.
Por otra parte, la interacción de partículas que rebotan y las partículas
provenientes de la boquilla en un ángulo de impacto de 90° es lo que produce la
reducción en la tasa de erosión de materiales dúctiles.
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ANALISIS DEL DESGASTE EROSIVO EN ACEROS INOXIDABLES
AISI/SAE 304, 316 Y 410
Fig. 2.20. Comportamiento de los materiales dúctiles y frágiles.
Figuras 2.21a y b muestran los gráficos de la pérdida de masa y la tasa de erosión
total contra el ángulo de impacto, respectivamente. Los aceros inoxidables
AISI/SAE 304 y 316 presentaron una tasa de erosión mayor a un ángulo de 60º,
viéndose esta reducida cuando el ángulo de impacto fue descendiendo a 45° y
30°, debido a esto es posible concluir que estos materiales mostraron un
comportamiento de tipo dúctil si esto es basado en el gráfico mostrado en la
Figura 2.20. Como lo visto previamente en los gráficos de pérdida de masa vs
tiempo, el acero inoxidable AISI/SAE 304 y 316, fueron los materiales que
exhibieron el desempeño más pobre mientras que el acero inoxidable AISI/SAE
420 aunque tuvo mayor daño a 30°, su resistencia en general fue mayor que la de
los otros dos materiales.
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Masa perdida (g)
ANALISIS DEL DESGASTE EROSIVO EN ACEROS INOXIDABLES
AISI/SAE 304, 316 Y 410
AISI 304
AISI 316
AISI 420
Lineal (AISI 304)
Lineal (AISI 316)
Lineal (AISI 420)
1.2
1.1
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
y = 0.0028x + 0.6258
y = 0.0029x + 0.5624
y = -0.0003x + 0.0998
0
20
40
60
80
100
Angulo de impacto (α)
Tasa de Erosión Total (g/g)
(a)
AISI 304
AISI 316
AISI 420
Lineal (AISI 304)
Lineal (AISI 316)
Lineal (AISI 420)
0.18
0.16
0.14
0.12
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0
y = 0.0004x + 0.0894
y = 0.0004x + 0.0803
y = -4E-05x + 0.0143
0
20
40
60
80
100
Angulo de impacto (α)
(c)
Fig. 2.21. (a) Gráfico de masa perdida vs ángulo de impacto, (b) Tasa de erosión total vs ángulo de
impacto.
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AISI/SAE 304, 316 Y 410
SUBTEMA 3.- DISCUSIONES
3.1 DISCUSIONES
Durante el avance de este trabajo se dieron conceptos básicos e importantes
sobre Tribología y acerca del proceso de erosión por impacto de partícula sólida.
Adicionalmente, se presenta información sobre aceros inoxidables, como son los
austeníticos y martensíticos, su composición química y aplicaciones de cada uno
de ellos.
Finalmente, se detallan los resultados de prueba obtenidos del estudio de erosión
sobre aceros inoxidables AISI/SAE 304, 316 y 420.En las pruebas que se
realizaron se pudo estudiar el comportamiento y desempeño de los aceros
inoxidables arriba señalados cuando son sometidosa pruebas de erosión a
diferentes ángulos de impacto (30º, 45º, 60º y 90º).
Se realizaron medidas de pérdida de masa (g) utilizando una balanza analítica con
una precisión de ± 0.0001 g. Además, por medio de cálculos matemáticos, se
pudieron determinar las tasas de erosión de los materiales de prueba.
Al finalizar esto, se pudo observar que el material con la resistencia más alta a la
erosión fue el acero inoxidable martensítico AISI/SAE 420, mientras que los
aceros inoxidables AISI/SAE 304 y 316,tuvieron un desempeño similar con una
tasa de erosión máxima a 60°. Aunque este comportamiento no es común para
este tipo de aceros, los resultados exhiben que estos materiales,AISI/SAE 304 y
316, tuvieron un comportamiento de tipo frágil, con grandes fragmentos de
material arrancados de la superficie en el momento del impacto de las partículas
abrasivas.
Este hecho puede ser mencionado como el hallazgo más importante en este
trabajo de investigación. Finalmente, con el empleo del Microscopio Electrónico de
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ANALISIS DEL DESGASTE EROSIVO EN ACEROS INOXIDABLES
AISI/SAE 304, 316 Y 410
Barrido (MEB) se pudieron identificar los diferentes mecanismos de desgaste
involucrados en este estudio, los cuales fueron acciones de arado, grandes
fragmentos de material fracturados (brittle fracture), algunos rasguños (scratches),
indentaciones irregulares, cráteres sobre la superficie, etc. Estos mecanismos
generalmente son encontrados en estudios de erosión.
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ANALISIS DEL DESGASTE EROSIVO EN ACEROS INOXIDABLES
AISI/SAE 304, 316 Y 410
SUBTEMA 4.- ESTUDIO DE COSTOS
4.1 COSTOS UNITARIOS
Se muestra el proceso de identificación de los recursos que fueron necesarios
para la elaboración de los especímenes de prueba. Así, como los costos de mano
de obra de equipos, materiales y herramientas que fueron necesarios para la
obtención de dichas pruebas. De igual forma se presentan las horas empleadas de
los recursos humanos y materiales. Así mismo se presenta los recursos humanos
y materiales que se requirieron para elaborar los ensayos de erosión, cabe
mencionar que los salarios empleados en el estudio de costos fueron tomados de
la Comisión Nacional de Salarios Mínimos (CONASAMI).
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AISI/SAE 304, 316 Y 410
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FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA-ELECTRICA
4.2 ANALISIS
DELDE
PRECIO
ANALISIS
PRECIOUNITARIO
UNITARIO EN ENSAYOS
DESCRIPCION
DE EROSION DE ESPECÍMENES
DE ACERO
INOXIDABLE 304
ENSAYOS DE PRUEBAS DE EROSION EN ESPECIMENES DE ACERO INOXIDABLE
TIPO 304.
Pieza
Unidad:
4.00
1,187.15
4,748.60
Cantidad:
Precio U: $
Total: $
Materiales
Clave
Descripcion
EXPECIMEN DE ACERO INOX. TIPO 304
DE 50X25X3mm DE LONG.
CARBURO DE SILICIO
Unidad
Cantidad
Precio U.
kg
0.04
$ 134.00 $
kg
1.50
$
Total de Materiales
Total
5.36
46.60 $
69.75
SUMA 1: $
75.11
Mano de Obra
Clave
Descripcion
PASANTES DE INGENIERO
INGENIERO
Personal
Unidad
3.00 Jor.
1.00 Jor.
RENDIMIENTO:
Salario Real
$
328.31 $
$
493.12 $
suma:
4.00 Pza./Jor.
Total de Mano de Obra
Equipo y Herramienta
Clave
Descripcion
HERRAMIENTA DE TALLER
EROSIONADOR CON COMPRESOR
BALANZA ELECTRONICA
MICROSCOPIO ELCTRONICO DE BARRIDO
Total de Equipo y Herramienta
FIME
Unidad
%
Hora
Hora
Hora
RENDIMIENTO:
UNIVERSIDAD VERACRUZANA
4.00
Cantidad
3.0
8.0
8.0
8.0
Total
$
984.93
493.12
1,478.05
SUMA 2: $
369.51
Precio U.
$
$ 55.00 $
$ 45.00 $
$ 150.00 $
suma: $
Total
11.90
440.00
360.00
1,200.00
2,011.90
SUMA 3: $
SUMA 1 + SUMA 2 + SUMA 3: $
IVA: $
Total 1: $
8% Ganancias: $
Total 2: $
502.98
947.60
151.62
1,099.21
87.94
1,187.15
Pza./Jor.
Página 65
ANALISIS DEL DESGASTE EROSIVO EN ACEROS INOXIDABLES
AISI/SAE 304, 316 Y 410
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4.3 ANALISIS DEL PRECIO UNITARIO EN ENSAYOS
FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA-ELECTRICA
DE EROSION DE ESPECÍMENES DE ACERO
ANALISIS DE PRECIO UNITARIO
INOXIDABLE 316.
DESCRIPCION
Pieza
Unidad:
ENSAYOS DE PRUEBAS DE EROSION EN ESPECIMENES DE ACERO INOXIDABLE
TIPO 316.
Cantidad:
Precio U: $
Total: $
4.00
1,185.88
4,743.54
Materiales
Clave
Descripcion
EXPECIMEN DE ACERO INOX. TIPO 316
DE 50X25X3mm DE LONG.
CARBURO DE SILICIO
Unidad
Cantidad
Precio U.
kg
0.03
$ 145.00 $
kg
1.50
$
Total de Materiales
Total
4.35
46.60 $
69.75
SUMA 1: $
74.10
Mano de Obra
Clave
Descripcion
PASANTES DE INGENIERO
INGENIERO
Personal
Unidad
3.00 Jor.
1.00 Jor.
RENDIMIENTO:
Salario Real
$
328.31 $
$
493.12 $
suma:
4.00 Pza./Jor.
Total de Mano de Obra
Equipo y Herramienta
Clave
Descripcion
HERRAMIENTA DE TALLER
EROSIONADOR CON COMPRESOR
BALANZA ELECTRONICA
MICROSCOPIO ELCTRONICO DE BARRIDO
Total de Equipo y Herramienta
FIME
Unidad
%
Hora
Hora
Hora
RENDIMIENTO:
UNIVERSIDAD VERACRUZANA
4.00
Cantidad
3.0
8.0
8.0
8.0
Total
$
984.93
493.12
1,478.05
SUMA 2: $
369.51
Precio U.
$
$
$
$
$
Total
11.90
440.00
360.00
1,200.00
2,011.90
SUMA 3: $
SUMA 1 + SUMA 2 + SUMA 3: $
IVA: $
Total 1: $
8% Ganancias: $
Total 2: $
502.98
946.59
151.45
1,098.04
87.84
1,185.88
$
$
$
55.00
45.00
150.00
suma:
Pza./Jor.
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AISI/SAE 304, 316 Y 410
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FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA-ELECTRICA
4.4 ANALISIS DEL
PRECIO
UNITARIO
EN ENSAYOS
ANALISIS
DE PRECIO
UNITARIO
DESCRIPCION DE ACERO
DE EROSION DE ESPECÍMENES
INOXIDABLE 420.
ENSAYOS DE PRUEBAS DE EROSION EN ESPECIMENES DE ACERO INOXIDABLE
TIPO 420.
Pieza
Unidad:
Cantidad:
Precio U: $
Total: $
4.00
1,193.36
4,773.46
Materiales
Clave
Descripcion
EXPECIMEN DE ACERO INOX. TIPO 420
DE 50X25X3mm DE LONG.
CARBURO DE SILICIO
Unidad
Cantidad
Precio U.
kg
0.04
$ 258.00 $
10.32
kg
1.50
$
46.60 $
69.75
SUMA 1: $
80.07
Total de Materiales
Total
Mano de Obra
Clave
Descripcion
PASANTES DE INGENIERO
INGENIERO
Personal
Unidad
3.00 Jor.
1.00 Jor.
RENDIMIENTO:
Salario Real
$
328.31 $
$
493.12 $
suma:
4.00 Pza./Jor.
Total de Mano de Obra
Equipo y Herramienta
Clave
Descripcion
HERRAMIENTA DE TALLER
EROSIONADOR CON COMPRESOR
BALANZA ELECTRONICA
MICROSCOPIO ELCTRONICO DE BARRIDO
Total de Equipo y Herramienta
FIME
Unidad
%
Hora
Hora
Hora
RENDIMIENTO:
UNIVERSIDAD VERACRUZANA
4.00
Cantidad
3.0
8.0
8.0
8.0
Total
$
984.93
493.12
1,478.05
SUMA 2: $
369.51
Precio U.
$
$ 55.00 $
$ 45.00 $
$ 150.00 $
suma: $
Total
11.90
440.00
360.00
1,200.00
2,011.90
SUMA 3: $
SUMA 1 + SUMA 2 + SUMA 3: $
IVA: $
Total 1: $
8% Ganancias: $
Total 2: $
502.98
952.56
152.41
1,104.97
88.40
1,193.36
Pza./Jor.
Página 67
ANALISIS DEL DESGASTE EROSIVO EN ACEROS INOXIDABLES
AISI/SAE 304, 316 Y 410
SUBTEMA 5: APORTACIONES
5.1 APORTACIONES
Con la realización de este estudio se tienen las siguientes aportaciones.
 Se da información sobre aceros inoxidables austeniticos y martenciticos,
sus aplicaciones reales en la industria y además, se presenta composición
química y dureza de cada uno de los materiales de prueba.
 Se encontró un hallazgo importante al poder observar que los aceros
inoxidables austeniticosAISI/SAE (304y 316) tuvieron un comportamiento
de tipo frágil, con grandes fragmentos de material siendo arrancados por el
impacto de las partículas abrasivas. Esto no es un comportamiento normal
de este tipo de materiales aunque es interesante saber que cuando estos
son expuestos a diferentes condiciones de prueba, pueden tener algunos
cambios en su desempeño.
 Por otra parte, fue grato conocer que el acero AISI/SAE 420, aun y con su
dureza más alta con respecto a los otros materiales de prueba mostro un
daño en su superficie por deformación plástica y además presento la
resistencia mas alta al desgaste en este estudio.
 Los estudiantes que realizaron esta tesis tuvieron la posibilidad de conocer
diferentes equipos para realizar el análisis de los resultados de prueba,
como la balanza analítica de precisión (± 0.0001 g), donde se midieron las
pérdidas de masa (g) y el microscopio electrónico de barrido (MEB)que
ayudo a identificar los mecanismos de desgaste.
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ANALISIS DEL DESGASTE EROSIVO EN ACEROS INOXIDABLES
AISI/SAE 304, 316 Y 410
CAPITULO III
FIME
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Página 69
ANALISIS DEL DESGASTE EROSIVO EN ACEROS INOXIDABLES
AISI/SAE 304, 316 Y 410
CONCLUSIONES
En el presente trabajo, se realizo un estudio de erosión de partícula solida sobre
tres diferentes tipos de aceros inoxidables AISI/SAE 304,316 y 420, de donde se
tienen las siguientes conclusiones:
 Se demostró que los aceros inoxidables no presentaron mayor desgaste en
ángulos de impacto más pequeños (30º y 45º). A excepción del acero
inoxidable tipo AISI/SAE 420, el cual presento un mayor desgaste a un
ángulo de 30º, mientras que AISI/SAE 304 y 316 exhibieron una mayor taza
se desgaste a 60º.
 Se comprobó que los aceros inoxidables austeniticos no tienen un
comportamiento de tipo dúctil, esto se confirmó al analizar las huellas de
desgaste en el microscopio electrónico de barrido (MEB), donde se
pudieron
observar
grandes
fragmentos
de
material
fracturados
o
arrancados debido al impacto constante de las partículas abrasivas.
Aunque este comportamiento no es común en aceros inoxidables, la dureza
de cada uno de estos materiales llevo a un comportamiento de tipo frágil
por la forma de daño visto.
 Se comprobó que un acero inoxidable martensiticoAISI/SAE (420), tiene
mayor resistenciaa laerosión que un acero inoxidable austenitico tipo (304 y
316), en base a losgráficos y tablas obtenidas después de haberse
realizado las pruebas de erosión.
 Se demostró que un acero inoxidable martensitico exhibe una gran
resistencia mecánica, al ser deformado plásticamente y no por fractura o
ruptura del material a diferencia de lo observado en aceros 304 y 316, los
cuales exhibieron un daño de tipo frágil con grandes fragmentos fracturados
debido al impacto de las partículas abrasivas.
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Página 70
ANALISIS DEL DESGASTE EROSIVO EN ACEROS INOXIDABLES
AISI/SAE 304, 316 Y 410
PROPOSICIONES
 Los resultados obtenidos del análisis del desgaste erosivo en aceros
inoxidables AISI/SAE 304, 316 y 420, serán de gran beneficio para las
nuevas generaciones de ingeniería mecánica.
 Sería interesante llevar a cabo un estudio de erosión sobre estos mismos
materiales empleando diferentes condiciones de prueba, especialmente
utilizando una temperatura distinta a la alcanzada en esta región al
momento de llevar acabo las pruebas (35ºC a 40ºC).
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Página 71
ANALISIS DEL DESGASTE EROSIVO EN ACEROS INOXIDABLES
AISI/SAE 304, 316 Y 410
BIBLIOGRAFÍA
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AISI/SAE 304, 316 Y 410
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[16] Almadeherrero.blogspot.com/2010/02/alabes-para-turbinas.html.
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ANALISIS DEL DESGASTE EROSIVO EN ACEROS INOXIDABLES
AISI/SAE 304, 316 Y 410
ANEXOS
TABLA PERIODICA DE LOS ELEMENTOS
¿Qué significa AISI/SAE ?
La norma AISI/SAE (también conocida por SAE-AISI) es una clasificación de
aceros y aleaciones de materiales no ferrosos. Es la más común en los Estados
Unidos.
AISI es el acrónimo en inglés de American Iron and Steel Institute (Instituto
americano del hierro y el acero), mientras que SAE es el acrónimo en inglés de
Society of AutomotiveEngineers (Sociedad de Ingenieros Automotores).
En 1912, la SAE promovió una reunión de productores y consumidores de aceros
donde se estableció una nomenclatura y composición de los aceros que
posteriormente AISI expandió.
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AISI/SAE 304, 316 Y 410
En este sistema los aceros se clasifican con cuatro dígitos. El primero especifica la
aleación principal, el segundo indica el porcentaje aproximado del elemento
principal y con los dos últimos dígitos se conoce la cantidad de carbono presente
en la aleación
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