Estelita e Inconel 600

Vol. 1 Núm.1
Naturaleza y Desarrollo
Enero-Junio 2003
Resistencia al desgaste abrasivo de recubrimientos con aleación
Estelita e Inconel 600
M. Castillo, G. Villa, M. Vite, P. Villegas, L. Hernández.
SEPI-ESIME-Zacatenco-IPN, México, [email protected]
Resumen
Este trabajo presenta los resultados obtenidos de la resistencia al desgaste abrasivo del
recubrimiento de Estelita (aleación cobalto cromo) y de Inconel 600 (aleación níquel cromo)
depositado sobre acero ASTM – A36, utilizando la técnica de soldadura al arco eléctrico con
electrodo revestido (SMAW). La morfología de Estelita e Inconel 600 se han caracterizado y
examinado mediante microscopia óptica y electrónica. También se utilizó un sistema de
microanálisis por espectrometría de energía dispersiva (EDS). Este sistema fue empleado para
determinar la composición básica de las capas obtenidas, así como la medición de la dureza y
microdureza. Un equipo tribológico para pruebas abrasivas de configuración arena seca / disco
metálico recubierto con neopreno construido por la SEPI ESIME IPN, MÉXICO, fue utilizado para
determinar la resistencia abrasiva de los recubrimientos mencionados. Los resultados indican que
hay una significativa mejora de la resistencia al desgaste abrasivo del acero ASTM A36 recubierto
con Estelita e Inconel 600. Los análisis por microscopia óptica y al barrido electrónico, donde se
observan las capas de Estelita, presentan una gran influencia en la microestructura, especialmente
con respecto al espesor de la red interdendrítica. Por otra parte, el aumento en las capas depositadas
de Inconel 600 muestra que las partículas de niobio que contiene la aleación se distribuyen en los
límites de grano y en la matriz de dicho recubrimiento.
Palabras Clave: Desgaste abrasivo, Recubrimientos duros, Es telita, Inconel 600.
Abstract
This work reports the results related to the abrasive wear resistance of Stellite coatings (cobalt
chromium alloys) and Inconel 600 (Nickel chromium alloys) deposited onto ASTM - A36 steel,
using the electric arc welding technique with coated electrodes (SMAW). The morphology of
Stellite and Inconel 600 coatings has been analyzed using optical and scanning electron microscopy
(SEM). Also a microanalysis was performed with an energy depressives spectrometer (EDS). This
system was employed to determine the basic chemical composition of the coatings obtained, as
well as the measurement of their hardness and micro hardness. In the final part, rubber wheel
abrasion test equipment, manufactured by SEPI ESIME IPN, MEXICO was used to determine the
abrasive wear resistance of the coating. Results show that there is a significant improvement in the
abrasive wears resistance of ASTM A36 steel coated with Stellite and Inconel 600. The optical
microscopy and electronic scanning analysis were used to observe the Stellite layers. Furthermore,
it was found that stellite greatly influences the microstructure especially that related to the thickness
of the interdendritic network. In addition, the increase in of the number of Inconel 600 layers
showed that the Niobium particles were distributed at the grain boundary and in the matrix.
Key words : Stellite, Inconel 600, austenitic, abrasion, carbide, hard coating.
Introducción
roca y tierra, en los anillos de pistón y cilindros de
motores de combustión interna, etc. La cantidad de
desgaste tolerable dependerá del daño causado más la
pérdida de material de la superficie. Algunas veces,
una pequeña cantidad de desgaste produce una
pérdida considerable de actuación de la pieza o de los
sistemas mecánicos. Por ello, muchas veces el rendimiento de las herramientas de corte de metal que se
deterioran cuando el desgaste es una fracción de
El desgaste junto con la corrosión y fatiga, son los
tres principales procesos que limitan o degradan la
vida útil de los productos de ingeniería. Es posible
observar piezas dañadas que pertenecen a un
mecanismo complejo. Ejemplos de estas situaciones
son los dientes de la pala de una excavadora
mecánica, los cuales se desgastan al contacto con
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M. Castillo, G. Villa, M. Vite, P. Villegas, L. Hernández
milímetro disminuye. En otros casos, la continuidad
de desgaste es muy grande cuando se produce algún
daño considerable durante el funcionamiento de la
misma. Por ejemplo, un diente de la excavadora
opera adecuadamente después de varios centímetros
de desgaste. Por esta razón, los métodos para reducirlo son muy importantes, porque el empleo correcto
de los mismos disminuye los costos de producción.
Entre estas técnicas, se encuentran incluidos los cambios en el diseño, el mejoramiento de la lubricación,
el reforzamiento del sellado y la aplicación de más y
mejores materiales resistentes al desgaste.
dos superficies, y las fuerzas entre ellas son
transferidas por medio de estas partículas. La tercera
es la generada por el mecanismo conocido como
fractura frágil.
El trabajo experimental, normalmente, ha demostrado
que el desgaste abrasivo puede expresarse mediante
una ecuación, cuando la dureza H’ del abrasivo es
mayor que la dureza H del material desgastado,
entonces:
V = K W L (1).
Donde V es el volumen perdido; K es el coeficiente
de desgaste afectado por otros parámetros del
tribosistema; W es la carga normal; L es la distancia
de deslizamiento.
Esto último puede ser el material en bulto o las capas
de recubrimiento, depositadas en sustratos suaves y
duros. Hay una gran variedad de recubrimientos
usados en los procesos de manufactura y en
aplicaciones industriales, por lo cual es muy difícil el
diseño de ingeniería, la selección de un proceso
óptimo para una aplicación particular.
Algunos estudios experimentales han confirmado que
si H>H’, el similar lineal correlativo también aplica,
pero los valores de cada región son significativamente distintos (Maville, 1989; Bayer, 1981; Briscoe,
1987).
Mecanismos de desgaste
El principal parámetro mecánico del material desgastado que influye en K, normalmente, es su dureza.
Bayer demostró que los datos experimentales adecuados son los siguientes (Anderson, 1991):
K∝H m (2)
Si m =-1, entonces H<H’, y m = -10, entonces H=H’,
y m = -5 entonces H>H’.
Es muy importante conocer los mecanismos o tipos
de desgaste que ocasionan el desprendimiento,
desplazamiento o daño del material.
El desgaste es contemplado normalmente como
pérdida de material, aparece por medio de la creación
de partículas en lugar de la disminución de átomos
individuales. Por esta razón, los mecanismos de
desgaste pueden ser considerados como un indicativo
del mecanismo de falla del material, que sucede muy
cerca de la superficie. En su documento: “El estudio
de posibles mecanismos de desgaste”, Burwell
(1957) registra cuatro mecanismos principales:
Desgaste adhesivo, Desgaste abrasivo, Desgaste por
fatiga y Desgaste corrosivo. Además, incorporo la
erosión y cavitación en “los tipos menores de
desgaste” (Arnell, et al., 1991; Bruwell,1957). Estos
mecanismos principales todavía son seleccionados y
empleados por la mayoría de los tribologistas;
aunque algunos los han clasificado un poco diferente,
coinciden en lo fundamental (Bayer, 1994).
Estelita (Aleación base cobalto)
Existen dos formas alotrópicas de cobalto: la forma
hexagonal compacta (hcp)ε es estable a temperatura
debajo de 417°C y la forma cúbica de cara centrada
(fcc)α es estable aun en altas temperaturas como
1495°C. La transformación ε ↔ α es muy lenta, y la
causa principal de este comportamiento puede
encontrarse en la muy pequeña energía libre de
cambio, asociada con esta transformación.
El evento de transformación hcp↔fcc en aleaciones
base cobalto, es la causa latente de la mejora en las
propiedades tribológicas (Cassina y Machado, 1992);
i. e, la fase hcp aislada o unida estrechamente a la
fase fcc exhibe una mayor resistencia al desgaste.
Desgaste abrasivo
Hay tres casos convencionales para desgaste
abrasivo. El primero se conoce como abrasión de dos
cuerpos o abrasión por deslizamiento a baja tensión,
consistente en que las asperezas duras de una
superficie están comprimidas en una superficie más
suave. El segundo se denomina abrasión por tres
cuerpos, en el cual interactúan partículas duras entre
Inconel 600 (Aleación base níquel)
Cuando la resistencia al desgaste abrasivo se combina con circunstancias corrosivas, donde se encuentran situaciones ácidas severas confrontadas, deben
considerarse aleaciones no ferrosas como las exis tentes a partir de níquel. Éstas son endurecidas por
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Naturaleza y Desarrollo
micro constituyentes tales como boruros de cromo,
carburos de cromo o silicatos de níquel. Los primeros, aumentan la resistencia al desgaste, mientras que
los silicatos presentan mayor dureza, cuando se
presentan junto con boruros contenidos en la misma
aleación (Wu y Redman, 1994; Menon, 1996).
Técnica de soldadura
Especialmente en la técnica de soldadura, la capa de
recubrimiento es obtenida de un material aleado, el
cual es fundido sobre un sustrato metálico para
proporcionarle un recubrimiento duro resistente al
desgaste. El calor indispensable es obtenido ya sea a
través de flama oxiacetilénica o por medio de un arco
eléctrico. Este último es ampliamente utilizado en la
reparación de piezas rotas o para componentes de un
mismo metal, ya sea en la industria mecánica o en
manufactura de equipos nuevos, donde fabricar
componentes enteros de una aleación resistente al
desgaste es muy caro e impráctico. Es especialmente
útil en casos donde la lubricación no existe o es
insuficiente (Departament of Trade and Industry,
1986). El espesor de la capa de la soldadura se
encuentra en el rango de espesor de 1 mm o más;
normalmente se aplica únicamente en aquellas áreas
donde se presenta la exposición máxima al desgaste.
Enero-Junio 2003
para el Inconel 600 (ENiCr), con el electrodo
calentado previamente a 70° C durante una hora en
horno y la temperatura ambiental de 25° C. La
primera capa depositada tuvo un espesor de 0.002m,
la segunda, de 0.004m y la tercera, de 0.006m. Se
midió la dureza y microdureza del recubrimiento,
usando un durómetro (Karl Frank 506) y un microdurómetro (Shimadzu M-78363) respecti-vamente.
Se utilizaron escalas HRB y HV en los especímenes
de prueba. El volumen perdido del recubrimiento fue
medido cada 1000 ciclos hasta completar un total de
5000.
La sección transversal de corte del recubrimiento con
Estelita e Inconel 600 fue analizada por microscopia
óptica (Estereoscopio Olympus VM2). De la misma
forma, un microscopio electrónico de barrido (Alto
vacío Phillips X230) fue empleado para examinar la
morfología y topografía del recubrimiento. También
se usó el sistema de microanálisis con espectrómetro
de energía dispersa (EDS, EDAX Mod. New XL30)
de Zafiro, con detector de estado sólido (Si(Li)) para
conocer la composición química del recubrimiento
con Estelita e Inconel 600.
Resultados
La dureza HRB de cada espécimen es medida con
una carga de 98.06N, la microdureza HV es medida
con una carga de 0.099N. Cada valor de dureza es el
promedio de al menos cinco mediciones individuales.
Los valores obtenidos se muestran en el Cuadro 1.
Máquina para prueba de abrasión
La máquina de abrasión con arena seca y disco
metálico recubierto con neopreno se fabricó en el
laboratorio de tribología de la SEPI ESIME IPN
MÉXICO, de acuerdo a la especificación de la norma
ASTM G65-94. Se utilizó como abrasivo arena sílica
AFS 50/70, la cual fluyó durante la prueba entre el
espécimen y el disco metálico recubierto con
neopreno. El flujo de alimentación estuvo entre 400 a
500 gr./min. La carga aplicada es de 130 N en la
interfase de la probeta y el disco, el cual gira a 200
r.p.m. para 1000 ciclos.
77.8
84.6
Inconel
600
48
52
54
Estelita
557.16 662.96
757.4
Inconel
600
239.5
293.0
3
Primera capa
74
Aleación
Estelita
36.2
HRB
Hv
0.049
Tercera capa
98.06
La placa de acero ASTM-A36 se maquinó en
especímenes de prueba con forma rectangular de
0.025m x 0.076m x 0.0126m de espesor, de acuerdo
con la norma ASTM G65 – 92. Para la prueba de
abrasión y análisis metalográfico, se utilizaron tres
especímenes para cada aleación, todos se limpiaron
con acetona, después se depositaron las capas de
Estelita e Inconel 600 por la técnica de soldadura de
arco eléctrico con electrodo revestido (SMAW). El
voltaje utilizado fue de 32 Volts y el amperaje en el
caso de Estelita (ECoCr) fue de 120 A, y de 95 A
Segunda capa
Detalles experimentales
acero
Recubrimiento
Metal base
Dureza
Cuadro 1. Dureza y microdureza de recubrimiento con
Estelita e Inconel 600.
Carga de prueba N
Vol. 1 Núm.1
207.4
245.83
Los resultados del desgaste abrasivo se muestran en
Cuadro 2.
37
M. Castillo, G. Villa, M. Vite, P. Villegas, L. Hernández
Cuadro 2. Masa perdida en la prueba de abrasión.
Masa del espécimen. Kg.
Revoluciones
Aleación
Estelita
Inconel 600
inicial
0.1768302
0.1606883
1000
0.1756965
0.1585723
2000
0.1750992
0.1570499
3000
0.1745160
0.1555860
4000
0.1739846
0.1542472
5000
0.1732909
0.1531586
Figura 2. Resistencia al desgaste de ambas aleaciones en función
del número de revoluciones al que se somete.
Usando la técnica EDS, se encontró la composición
química del material del recubrimiento con Estelita e
Inconel 600; los resultados se presentan en las figuras
3 A y 3 B respectivamente.
Para el mismo número de ciclos, el Inconel 600 tiene
mayor pérdida de volumen que la Estelita, como se
observa en la Figura 1.
También obtenemos la resistencia al desgaste para las
dos aleaciones, lo cual se muestra en la Figura 2.
Figura 3 A. Espectro del análisis químico elemental del
recubrimiento con Estelita.
Figura 1. Volumen perdido de la aleación en función del
número de revoluciones al que se somete en
desgaste.
Figura 3 B. Espectro del análisis químico elemental del
recubrimiento con Inconel 600.
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Naturaleza y Desarrollo
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Discusión
Las figuras 4 A y 4 B muestran una fotografía
obtenida con estereoscopio de la sección transversal
de la muestra del recubrimiento depositado sobre
acero ASTM-A36 de los sustratos de Estelita e
Inconel 600, donde se observa la zona de unión entre
el metal base y el recubrimiento.
Figura 5. Micrografía de la interfase entre el recubrimiento con
Inconel 600 y el metal base.
Figura 4 A. Corte seccional de recubrimiento con Estelita.
Figura 6. Micrografía de la interfase entre el recubrimiento con
Estelita y el metal base.
Figura 4 B. Corte seccional de recubrimiento con Inconel 600.
En tanto las micrografías del microscopio electrónico
de la interfase, entre el recubrimiento y el metal base,
muestran el tipo de fractura frágil que se presenta, lo
cual se observa en las figuras 5 y 6 (Bayer, 1983).
En el recubrimiento con Estelita existe una gran
influencia de los elementos de la aleación en la
microestructura observada, especialmente remarcado
en el espesor de la red interdendrítica. Esto fue
analizado por microscopia electrónica como se
muestra en la Figura 7, donde se puede observar la
red compacta de carburos que se forma. En el
recubrimiento con Inconel 600 se encontró que las
partículas de niobio se colocan en el límite de grano
en la matriz e intergraníticamente, lo cual fue
observado por microscopia electrónica, como lo
presenta la Figura 8.
Figura 7. La micrografía muestra la red continua de carburos de
cromo que se forma en la Estelita.
Conclusiones
La dureza superficial de los especímenes de prueba
de acero ASTM-A36 fue incrementada por las capas
de depósito de Estelita e Inconel 600.
Cuando el espesor de la capa de Inconel 600 aumentó, los carburos de cromo muestran una marcada
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M. Castillo, G. Villa, M. Vite, P. Villegas, L. Hernández
Agradecimientos
tendencia para colocarse en los límites de grano. Esto
sucede normalmente como partículas en bloque
discontinuas e irregulares.
Instituto Nacional de Investigación Nuclear.
Sección de Estudios de Posgrado e Investigación de
ESIME – IPN, Zacatenco.
Literatura Citada
Anderson, T. L. 1991. Fracture Mechanics. USA.
CRC.
Arnell, R. D. et al, 1991. Tribology Principles and
Design Applications, Macmillan, 68 p.
ASTM, G 65- 94 Standard. Measuring Abrasion
Using the Dry Sand/Rubber Wheel Apparatus.
Figura 8. Micrografía del recubrimiento con Inconel 600, donde es
posible observar partículas de niobio en los límites de
grano.
Bayer, R. G. 1981. Wear 70, 93.
Bayer, R. G. 1994. Mechanical Wear Prediction and
Prevention, Marcel Dekker, 331 p.
Por otro lado, cuando se incrementa el espesor de Es telita en capas del recubrimiento, también crece la
participación de los carburos de cromo, en forma de
una red continua compacta. Por consiguiente, la resistencia a la abrasión de la aleación mejora
(ASTM,G65-94).
Briscoe, B. 1978. Proc. Intl. Conf. On Wear of Materials, ASME, 607.
Burwell, J. T. 1957. Wear, 1, 119.
Las capas de recubrimiento de Estelita depositadas
sobre acero pueden soportar el desgaste abrasivo
mejor que el Inconel 600. Probablemente porque la
microdureza del primero está compuesta por redes
continuas de carburos complejos dentro de una
matriz rica en cobalto; mientras que en el Inconel 600
la dureza la aportan las partículas de Niobio
distribuidas en los límites de grano e intergraníticamente. Por otra parte, por el relativamente alto
contenido de carbono, se forma una red de tipo
esqueleto en el límite del grano y ésta puede soportar
grandes cargas, así como impedir el deslizamiento
(Cassina y Machado,1992; Wu y Redman, 1994;
Menon, 1996).
Cassina, J. C. and I. G. Machado. 1992. Welding J.
71, 4.
Recomendaciones
Recibido: 20 de septiembre de 2002
Aceptado: 30 de abril de 2003
Estas aleaciones se pueden utilizar en elementos de
maquinaria sometidos a un alto ritmo de desgaste,
como en el caso de equipo minero y agrícola, que
mueve tierra, o en la industria alimenticia y en
general en condiciones de trabajo con calor, ambiente
corrosivo y desgaste combinados.
40
Department of Trade and Industry. 1986. Wear
Resistant Surfaces in Engineering. HMSO, 142 p.
Maville, R. 1989. Proc. Intl. Conf. On Wear of
Materials, ASME 83.
Menon, R. 1996. Welding. 75, 2.
Wu, J. B. C. and J. E. Redman. 1994. Welding J.
1994. 73, 9.