958 RESISTENCIA AL DESGASTE DE ACEROS ZINALQUIZADOS

MEMORIAS DEL 14 CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM
17 al 19 DE SEPTIEMBRE, 2008 PUEBLA, MÉXICO
RESISTENCIA AL DESGASTE DE ACEROS ZINALQUIZADOS POR INMERSIÓN EN
CALIENTE
Juan G. Salas Márquez, Cesar Dénova Reyes, Arturo Barba Pingarrón , José J. Cervantes Cabello,
Magdalena Trujillo Barajan, Jesús Roviroza López, Eduardo Garduño
Centro de Ingeniería de Superficies y Acabados (CENISA). Departamento de Materiales y Manufactura.
División de Ingeniería Mecánica e Industrial. Facultad de Ingeniería. UNAM.
Edificio del Posgrado “Bernardo Quintana”. 2° Nivel. Circuito Exterior. Ciudad Universitaria. Coyoacan, 04510 D.F., México.
[email protected] [email protected] [email protected]
Gabriel Torres Villaseñor
Departamento de Materiales Metálicos y Cerámicos. Instituto de Investigaciones en Materiales. UNAM.
Circuito Exterior. Ciudad Universitaria. Coyoacan, 04510, D.F. México.
RESUMEN
En el presente trabajo se describe el desarrollo experimental realizado y los resultados mas relevantes logrados al
ensayar bajo condiciones de desgaste adhesivo, recubrimientos Zn-Al-Cu obtenidos mediante una tecnología de
inmersión en caliente desarrollada en el CENISA de la Facultad de Ingeniería de la UNAM. Las piezas de acero
AISI1018 revestidas, se ensayaron bajo diferentes condiciones de carga y velocidad de desplazamiento en una
máquina para ensayos de desgaste adhesivo. Adicionalmente, los recubrimientos se caracterizaron mediante
microdureza y técnicas de microscopia electrónica de barrido. El proceso desarrollado es una opción de bajo costo
que permite mejorar la resistencia al desgaste y a la corrosión de este tipo de aceros.
ABSTRACT
This paper describes the experimental work done and the results more important after test under conditions of
adhesive wear coatings of Zn-Al-Cu alloys obtained through a hot dipping technology developed in CENISA at the
Engineering Faculty at UNAM . The pieces of AISI 1018 coated steel, were tested under different load and speed
conditions in a pin on disc machine to test adhesive wear. Additionally, coatings were characterized by
microhardness test and scanning electron microscopy techniques. The process developed is a low-cost option to
improve wear and corrosion resistance of this type of steel.
INTRODUCCIÓN
El desgaste es una de las formas de deterioro más costosas para la industria y por esta razón se sigue buscando
entender los mecanismos del desgaste para disminuirlo o evitarlo, para mejorar la eficiencia, rendimiento o
incrementar la vida útil de muchos elemento mecánicos.
Aunque se tiene la noción de que el desgaste no ocasiona fallas violentas, pues tan solo trae consecuencias como la
reducción de la eficiencia de operación, las pérdidas de potencia por fricción y el incremento de consumo de
lubricantes, es un hecho que por una falla de desgaste puede perderse el control de una máquina e incluso perjudicar
la salud de los operadores de dicha máquina.
La superficie de los materiales es la región más sensible a las agresiones del entorno, por lo que, como una propuesta
alternativa, en este trabajo, se propone recubrir, mediante un proceso de inmersión en caliente, con una aleación ZnAl-Cu (Zinalco), la superficie de un acero de bajo carbono AISI 1018. Las aleaciones Zinalco, en estudios previos
han mostrado buena resistencia a la corrosión[1], al lado de muy buenas propiedades mecánicas y un costo atractivo.
Es posible, por ejemplo, obtener piezas por fundición a presión, permitiendo la fabricación de piezas elaboradas en
otros materiales y se pueden eliminar los pasos de transformación y ensamble y tiene una variedad de posibles
aplicaciones. [8]
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El desgaste, la fatiga y la corrosión son los tres problemas que más ocasionan el reemplazo de elementos de
máquinas. Sin embargo el desgaste ha sido el menos estudiado y al que se le presta menos atención. Ocurre en una
amplia variedad de operaciones, y en algunas industrias es muy elevado el gasto anual por concepto de reposición de
piezas desgastadas [3]. El desgaste es también muy importante en la práctica de la ingeniería; en muchos casos
constituye el principal factor que limita la vida y el rendimiento de los componentes de máquinas [5,6] por ejemplo,
un camión de 5 toneladas con un alto grado de desgaste suele pesar entre dos y tres kilogramos menos que cuando
nuevo.
Se ha señalado al desgaste como el daño ocasionado a una superficie como resultado de un movimiento relativo entre
dos superficies y las investigaciones actuales buscan comprender las causas y predecir sus consecuencias. Debido a
este interés surge una ciencia denominada “Tribología” (del griego tribos que significa frotar) (5), la cual agrupa
varias disciplinas involucradas en la interacción de superficies en contacto, con movimiento relativo y con o sin la
presencia de algún medio interpuesto.
Primordialmente se han establecido como formas principales de desgaste a los de tipo abrasivo, adhesivo, corrosivo y
a la fatiga superficial. Para este trabajo se realizó la evaluación de la resistencia al desgaste mediante el análisis del
tipo adhesivo. Para su análisis se empleó el principio de funcionamiento de un dispositivo “espiga en disco” (pin on
disk), y en dicho dispositivo se realizaron las pruebas de desgaste. (Figura 1).
Fig. 1 Esquema del principio del ensayo de desgaste adhesivo “espiga sobre disco”.
El desgaste adhesivo ocurre cuando dos superficies sólidas se deslizan una sobre otra bajo presión. Las regiones
superficiales se deforman plásticamente y finalmente llegan a unirse debido a las altas presiones locales. Conforme
continúa el deslizamiento, estas uniones se rompen produciendo cavidades en una superficie, proyecciones en la otra
y también partículas abrasivas de menor volumen, lo que contribuye a un mayor desgaste de las superficies. El
aspecto de la superficie desgastada será visualmente de rayaduras irregulares.
La resistencia al desgaste se determinará mediante el análisis de valores numéricos como el coeficiente y razón de
desgaste, Asimismo, para lograr un juicio en la determinación de la resistencia al desgaste, se compararon resultados
entre los aceros zinalquizados con los aceros sin zinalquizar.
La razón de desgaste es un valor que índica la cantidad de material que se ha desgastado por cada desplazamiento, en
otras palabras; cuánto volumen de material (v) se pierde en cada avance o recorrido (s), es decir:
Rd =
v
. . . (1)
s
La razón de desgaste es una característica de suma importancia en ingeniería de diseño, pues determina qué tanta
resistencia al desgaste presenta un material, un recubrimiento, entre otros.
La razón de desgaste obtenida mediante análisis de desgaste adhesivo se interpreta de la siguiente manera:
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Si la razón de desgaste presenta un valor cercano a cero índica que el material es muy resistente al
desgaste.
Si la razón de desgaste presenta un valor lejano del cero índica que el material no es muy resistente al
desgaste.
Por su parte, el coeficiente de desgaste K, está en función del volumen perdido (v), de la dureza del material (H), la
carga aplicada (w) y por el desplazamiento (s), es decir:
K=
Hv
. . . (2)
ws
Y representa la probabilidad de que, en un encuentro entre dos asperezas de las superficies en contacto, se produzca
una partícula de desgaste. Esto es, si K es mayor; mayor será la posibilidad de desgaste.
Por su lado, el zinalquizado por inmersión en caliente, es un proceso desarrollado en el CENISA de la Facultad de
Ingeniería de la UNAM, en el cual se consigue un recubrimiento metálico de aleaciones Zinalco. El método a utilizar
en este trabajo consiste en que un material (metal base), se sumerge en el baño fundido de un segundo metal (metal
de recubrimiento). Tras la extracción de la pieza, el metal fundido recubre al primero. Los recubrimientos obtenidos
por inmersión del metal en el metal protector en estado líquido alcanzan espesores relativamente grandes, que van
desde 50 hasta 500 micrómetros, con excelente adherencia. La capa de recubrimiento que se genera está compuesta
por dos zonas, la zona externa del recubrimiento constituida por el metal o aleación de recubrimiento y la zona
intermetálica que se origina por difusión del metal fundido dentro del metal a proteger y está formada por un
compuesto de composición no estequiométrica del metal protector con el metal protegido.
DESARROLLO
Proceso de Zinalquizado.
Para el desarrollo de pruebas experimentales se emplearon probetas de acero tipo SAE 1018 con calidad comercial
producida por AHMSA, cuya composición química es: C -0.18 %, Si -0.25 %, Mn -0.75 % y el resto en % de Fe.
Generación del recubrimiento.
La primera etapa consiste en cortar el perfil de acero de 2 cm de lado, dimensiones adecuadas para el tipo de
ensayos a realizar. Posteriormente se procedió a realizar el proceso de limpieza, el cual inicia, cuando es requerido,
con la limpieza mecánica por medio de un esmeril. Concluida ésta, se procedió a realizar el desengrasado que
consistió en sumergir las probetas de 5 a10 minutos en Percloroetileno para eliminar grasas. El decapado se realizó
colocando las piezas en una solución al 10% de HCl, (usando un inhibidor) durante 6 minutos. A continuación, se
procede al fluxado, para lo cual se usó una solución 1:1 de cloruro de amonio y zinc, donde las piezas se
sumergieron 5 minutos. A continuación las piezas se colocaron en el baño de zinalco fundido a 600°C durante 1 a 5
minutos y se enfrían al aire.
Se obtuvieron los siguientes tipos de probetas: 1. Acero Zinalquizado, 2. Acero Zinalquizado Superficie Rasurada, y
3. Acero Sin Recubrimiento.
Caracterización de las piezas recubiertas.
Se evaluó la microdureza Vickers de los recubrimientos mediante un microdurómetro Leitz donde la carga aplicada
durante el ensayo fue de 100 g, obteniéndose un promedio de 10 mediciones en cada caso.
Se realizaron estudios de microscopia electrónica de barrido (Microscopio marca Philips XL-20), las probetas
fueron cortadas en sección transversal y preparadas mediante un proceso de lijado con lijas de SiC números 180,
320, 400, 600 y 1000 y pulidas usando alúmina de 3 y 0.5 micrómetros.
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Para la realización de los ensayos de desgaste utilizó una máquina “Swansea Tribology Centre” marca CYGNUS.
El disco utilizado como superficie de rozamiento fue un acero AISI D2, de dureza 50 HRC.
Para los diferentes tipos de probetas obtenidas se realizaron las siguientes pruebas atendiendo a la norma ASTM
G99-95a.
Prueba
Velocidad [v]
Carga [L]
A
Constante
Constante
B
Constante
Variable
C
Variable
Constante
D
Variable
Variable
Tabla I. Correlación entre el tipo de pruebas con parámetros experimentales
Los valores experimentales propuestos son:
Velocidad constante v = 500 [rpm]
Velocidad variable ∆v = 100 [rpm]
Carga axial constante L = 100 [g]
Carga axial variable ∆L = 100 [g]
Intervalos de tiempo ∆t = 60 [s]
El valor experimental a obtener es la masa en turno m = ∆m [g]. Finalmente se requerirá cuantificar a (1), (2), (3) y
(4).
∆P = (Pi - Pf ) . . . (3)
%PP =
Pi − Pf
x 100%
Pi
. . . (4 )
PRESENTACION Y DISCUSION DE RESULTADOS.
Fig. 2 Imagen de Microscopía Electrónica de Barrido de probeta
de Acero Zinalquizado. Superficie Rasurada. BSE. 100x.
En la figura 1 se observa el aspecto típico del revestimiento de un acero zinalquizado por inmersión en caliente. Se
puede ver una zona externa (recubrimiento) con evidencia de la presencia de la aleación Zinalco (dos fases, una rica
en zinc y otra rica en aluminio), otra zona mas cercana al sustrato con alta concentración de zinc (zona blanca) y
finalmente una región con fase rica en aluminio (color gris) aledaña al sustrato de acero. [7, 8]. Conviene señalar
que, al rasurar las probetas, el recubrimiento presenta una orientación preferente en forma paralela a la superficie del
material base, que es el sentido en que se realizó el rasurado.
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Como se ha documentado en trabajos previos [1,4], a medida que se avanza desde la capa externa hacia el sustrato y
debido a la difusión que ocurre durante el proceso, se generan diferentes compuestos intermetálicos Al-Fe-Zn lo que
da lugar a la aparición de diferentes fases de microdureza mayor a la existente en la superficie externa
(recubrimiento) - constituida básicamente de zinalco - como se puede corroborar en la Tabla siguiente.
probeta
4
3
1
2
Interfase
(HV)
332
297
351
286
Recubrimiento
(HV)
207
206
181
170
Tabla II. Microdurezas Vickers (HV)100g. de aceros zinalquizados por inmersión en caliente
en diversas zonas del recubrimiento.
Una evidencia de la muy buena adherencia lograda se puede observar en la imagen de SEM (MEB) mostrada en la
figura 2.
Fig. 3 Acero zinalquizado por inmersión en caliente superficie no rasurada.150X.
Se observa que la unión entre el material base y el recubrimiento refleja buena adherencia. SE.
El recocido genera un proceso de difusión adicional, especialmente del Al, lo que provoca un reacomodo de las
fases y permite obtener una distribución homogénea de la fase rica en Al (tono oscuro) y la fase rica en Zn, figura 3.
Fig. 4 Acero zinalquizado recocido con superficie no rasurada a 200X.
El recubrimiento es homogéneo en espesor. BSE.
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En cuanto a los resultados de los ensayos de desgaste la gráfica 1 muestra los logrados bajo condiciones de
velocidad y carga constante de los aceros recubiertos y no recocidos y evidencia la mejora en el comportamiento
lograda con el recubrimiento.
Prueba A. Velocidad constante (v = cte.) y carga constante (L = cte.). No recocidos.
0,1
% PP
0,08
tipo 1
0,06
tipo 2
0,04
tipo 5
0,02
0
0
1
2
3
4
5
6
t [m in]
Gráfica 1.Comparación entre el acero sin recubrimiento (curva tipo 5) y los aceros zinalquizados
(curvas tipo 1 y 2).
% PP
En cuanto a los resultados logrados en los ensayos de desgaste realizados bajo condiciones de velocidad constante y
carga variable, mostradas en la gráfica 2, para las piezas no recocidas posteriormente, se puede observar una
tendencia semejante con una muy clara disminución del porcentaje de peso perdido como evidencia de esa mejora.
.
Prueba B. La velocidad es constante (v = cte.) y la carga es variable ( L = var.). No recocidas.
0,12
0,11
0,1
0,09
0,08
0,07
0,06
0,05
0,04
0,03
0,02
0,01
0
tipo 1
tipo 2
tipo 5
0
1
2
3
4
5
6
t [min]
Grafica 2. Comparación entre el acero sin recubrimiento (curva tipo 5) y los aceros zinalquizados
(curvas tipos 1 y 2).
Prueba C. La velocidad es variable (v = var.) y la carga es constante (L = cte.).
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% PP
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0.13
0.12
0.11
0.1
0.09
0.08
0.07
0.06
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
0
tipo 1
tipo 2
tipo 5
0
1
2
3
4
5
6
t [min]
Grafica 3. Comportamiento en desgaste adhesivo del acero sin recubrimiento (curva tipo 5) y los aceros zinalquizados
(curvas tipo 1 y 2).
% PP
Prueba D. La velocidad es variable (v = var.) y la carga es variable (L = var.).
0.13
0.12
0.11
0.1
0.09
0.08
0.07
0.06
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
0
tipo 1
tipo 2
tipo 5
0
2
4
6
t [min]
Gráfica 4. Comportamiento en desgaste adhesivo del acero sin recubrimiento (curva tipo 5) y los aceros zinalquizados
(curvas tipo 1 y 2).
Las curvas obtenidas como resultado de las condiciones de velocidad variable y carga constante (Prueba C, gráfica
3) y de velocidad y carga variable (gráfica 4 y prueba D), muestran la misma tendencia que se presenta en los
ensayos A y B, en relación a una destacable mejora de la resistencia al desgaste de este tipo de aceros debida a la
presencia de estos recubrimientos.
Un aspecto a destacar es que, bajo las condiciones ensayadas, al término de la prueba, la superficie resultante era la
de la zona de la interfase. Ello permite interpretar que la mejora en la resistencia al desgaste está asociada,
primordialmente, con la presencia de los compuestos intermetálicos de tipo Al-Fe-Zn que se presentan en esa zona,
según se reporta en los trabajos previos realizados en el desarrollo de este revestimiento (1).
Combinación
(sobre acero para herramienta tipo
D2)
Acero zinalquizado superficie no
rasurada
Acero zinalquizado superficie rasurada
Acero sin zinalquizar
K x 10-3
8.23
4
20.7
Tabla III. Coeficiente de desgaste para la combinación de acero zinalquizado sobre
disco de acero para herramienta tipo D2.
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Bajo las condiciones ensayadas, se ha encontrado que, en términos tanto del valor del coeficiente de desgaste (K)
(Tabla II) y de la razón de desgaste (Tabla III), se puede corroborar, por un lado, la mejora destacada del
comportamiento al desgaste de estos aceros con el revestimiento logrado y por el otro, una mejora adicional cuando
se realiza el rasurado de los recubrimientos, lo cual se ha asociado, en primera instancia y a reserva de realizar
pruebas adicionales, a la eliminación durante el rasurado, en buena medida, de una parte importante de la zona mas
externa de recubrimiento, constituida básicamente de la aleación zinalco
Tipo de acero
Zinalquizado con superficie no rasurada
Zinalquizado con superficie rasurada
Sin zinalquizar
RD x 10-10
2.4555
1.2732
7.9123
Tabla IV. Razón de desgaste correspondiente al tipo de acero
CONCLUSIONES
1.- El acero SAE 1018 presenta una notable mejora en su resistencia al desgaste adhesivo al zinalquizarse mediante
el proceso de inmersión en caliente.
2.- Considerando los resultados previos reportados en otros trabajos [1,4] respecto a su muy buena resistencia a la
corrosión, especialmente a la atmosférica y particularmente en atmósferas agresivas conteniendo iones cloruro, se
puede concluir que este tipo de tecnología permite obtener un recubrimiento de bajo costo, resistente a la corrosión y
al desgaste que, adicionalmente aprovecha un recurso subempleado en México, que son el Zinc y sus aleaciones.
3.- La mejora en la resistencia al desgaste conseguida se ha atribuido a la presencia en las zonas del recubrimiento,
cercanas al sustrato, formadas por compuestos intermetálicos Al-Fe-Zn de dureza elevada.
RECONOCIMIENTOS
Se agradece la colaboración y ayuda del Biólogo Germán Alvarez, de la Unidad de Investigación y Asistencia
Técnica en Materiales (UDIATEM) de la Facultad de Ingeniería de la UNAM en la aplicación de técnicas de
microscopia electrónica de barrido.
REFERENCIAS
[1] Cervantes Cabello, Jose Javier. Tesis “Desarrollo de la tecnología para la obtención y caracterización de aceros
de bajo carbono recubiertos con Zinalco”. El autor. México, 2004.
[2] Czichos, H. “A systems analysis data sheet for friction and wear tests and outline for simulative testing”
American Society for Metals. E.U.A. 1998.
[3] Lipson, Charles. “Importancia del desgaste en el diseño”. Limusa Editores. México, 1990.
[4] Nevarez Vega, Ricardo. Romero Pérez, Luis. Tesis ”Estudio tribologico de materiales: el caso Zinalco”. El
autor. México, 1992.
[5] Rabinowicz, E. “Friction and wear of materials”. John Wiley & Sons. New York, E.U.A. 1995.
[6] Sarkar, A. D. “Desgaste de metales”. Noriega Limusa. México, 1996.
[7] Torres V. G., Negrete S. J. “El zinalco y su tecnología”. Edición del Instituto de Investigación en Materiales
UNAM. México, 1984.
[8] Torres V. G. “Zinalco propiedades y usos”. Edición del Instituto de Investigación en Materiales UNAM. México,
1990.
[9] Norma ASTM G99-95A. “Standard test method for wear testing with a pin-on-disk apparatus”.
ISBN 978-968-9773-03-8
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