Randy Águila López

Facultad de Ingeniería Mecánica Centro de Investigación de Soldadura
Trabajo de Diploma
Título: Caracterización de hierro fundido aleado al cobre para
su aplicación en cojinetes de deslizamiento.
Diplomante: Randy Águila López
Tutor: Dr. Amado Cruz Crespo
Dr. Arnaldo Herrera Artiles
Ing. María de las Mercedes Rodríguez
Santa Clara
2012 1 Dedicatoria
A mis padres, por enseñarme a luchar por mis sueños.
A la Troty, por ser una hermanita maravillosa.
A Mailen, por todo su amor.
2 Agradecimientos
Le agradezco a mi familia, especialmente a mi novia
que me apoyó y ayudó en el desarrollo de este trabajo;
también le agradezco a mis tutores,
y a todo aquel que de una forma u otra
contribuyó en el transcurso de estos cinco años de carrera 3 RESUMEN En el trabajo se realiza la caracterización de hierros fundidos para su empleo en
cojinetes de deslizamiento.
A las aleaciones bajo estudio se les determinó la
composición química, le fue realizada la caracterización metalográfica así como la
determinación
de la dureza y la microdureza. Fue realizado además, un estudio
comparativo de comportamiento al desgaste adhesivo de las aleaciones bajo
condiciones de lubricante sin contaminar y contaminado. En base a los resultados de la
caracterización se analizan las relaciones de la composición con la microestructura y
las propiedades, sobre todo el efecto del cobre como elemento de aleación. Se
concluye en el trabajo que las aleaciones que mejor desempeño presentan en las
condiciones de desgaste con lubricante sin contaminar, son a su vez, las mejores en
condiciones de lubricante contaminado.
4 ABSTRACT The paper makes the characterization of cast iron for use in sliding bearings. In the
alloys under study it was determined the chemical composition, was performed
metallographic characterization and determination of the hardness and microhardness.
It also performs a comparison of adhesive wear behaviour of the alloys under conditions
of uncontaminated and contaminated lubricant. Based on the results of the
characterization analyzes the relationship of the composition with the microstructure
and properties, especially the effect of copper as an alloying element. Work is
concluded that alloys exhibit better performance in the conditions of wear without
contaminating lubricant, are themselves the best in conditions of contaminated
lubricant.
5 ÍNDICE INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... 1
Capítulo 1: Fundamentación teórica .............................................................................. 3
1.1- Generalidades sobre las fundiciones ....................................................................... 3
1.2- Clasificación de las fundiciones ............................................................................... 5
1.3 - Fundiciones aleadas ............................................................................................. 10
1.4 - Influencia de la composición química en la estructura y las propiedades de la
fundición........................................................................................................................ 14
1.4.1- Influencia de los elementos de aleación. ....................................................... 16
1.5 Generalidades sobre el desgaste ........................................................................... 25
1.6- Particularidades de la Norma ASTM G77 de ensayos de desgaste adhesivo ....... 29
Capítulo 2: Materiales y Métodos.................................................................................. 31
2.1- Introducción ........................................................................................................... 31
2.2- Selección y extracción de las probetas .................................................................. 31
2.3 Determinación de la composición química .............................................................. 32
2.4- Análisis metalográfico ............................................................................................ 33
2.5 - Medición de microdureza y la dureza ................................................................... 35
2.6 - Ensayos de desgaste y determinación del desgaste relativo................................ 36
2.6.1- Preparación de la muestra para el pesaje antes y después del ensayo ........ 38
2.6.2- Condiciones establecidas para los ensayos de desgaste .............................. 39
Capítulo 3: Resultados y análisis ................................................................................. 40
3.1- Análisis químico ..................................................................................................... 40
3.2- Análisis metalográfico ............................................................................................ 41
3.3- Análisis de dureza ................................................................................................. 47
3.4- Análisis de desgaste .............................................................................................. 50
CONCLUSIONES GENERALES ..................................................................................... 56
RECOMENDACIONES .................................................................................................... 57
REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA..................................................................................... 58
6 INTRODUCCIÓN Cuba es un país en perspectiva de desarrollo e incremento productivo. Por ello, se le
ha dedicado especial atención al desarrollo
de la industria de la construcción de
maquinarias, tanto en la agricultura, construcción, el transporte, así como en la
industria azucarera, lográndose la sustitución de algunas importaciones por
producciones nacionales de calidad.
Es evidente que el desgaste que predomina en estas maquinarias es el abrasivo, a lo
cual están sometidos como ejemplo, los órganos de trabajo de los aperos de labranza.
No obstante, otros mecanismos de desgaste para determinadas condiciones pueden
ser determinantes, ya que en estas máquinas muchos componentes están sometidos al
contacto con determinados medios (jugos de frutas, por ejemplo, en el caso de equipos
de procesamiento).
Dentro de los múltiples componentes que se desgastan con relativa frecuencia, los
cojinetes de deslizamiento constituyen unos de los elementos que inciden sobre las
pérdidas por desgaste, por lo que aumentar su durabilidad y buscar alternativas de
producción nacional es un empeño permanente dentro del sector metalmecánico del
país [1].
El presente trabajo tiene como finalidad realizar un estudio de caracterización de
hierros fundidos para su posible aplicación
en componentes de maquinaria,
específicamente, en cojinetes de deslizamiento, valorando si tales aleaciones son
adecuadas para funcionar en condiciones de trabajo, donde el desgaste es un factor
importante a tener en cuenta para garantizar el buen desempeño de las mismas.
Situación Problemática: Los cojinetes de deslizamiento son ampliamente usados en
diversos equipamientos, entre los cuales los constituidos por pares acero-hierro son de
frecuente aplicación. En muchos casos, por razones asociadas a diferentes causas, el
desgaste del componente de hierro es más acelerado que lo esperado, llevando a
paradas y pérdidas por no producción o servicio, denotándose que los materiales
usados no responden adecuadamente a las condiciones de servicio.
1 Problema Científico: Se desconoce el efecto del contenido de Cu en fundiciones
grises sobre la microestructura, la microdureza de la matriz, la dureza y el
comportamiento al desgaste adhesivo en pares de deslizamiento con acero.
Hipótesis: Es posible establecer el efecto del contenido de Cu sobre el
comportamiento al desgaste adhesivo de fundiciones grises en pares de deslizamiento
con acero y sus nexos con la microestructura, la microdureza de la matriz y la dureza.
Objetivo: Establecer el efecto del Cu sobre el comportamiento al desgaste adhesivo
del hierro fundido gris en pares de deslizamiento con acero, explicado a partir de su
relación con la microestructura, la microdureza de la matriz y la dureza.
Objetivos específicos:
1. Establecer el efecto del contenido de Cu sobre la microestructura, la
microdureza de la matriz y la dureza.
2. Establecer el efecto del contenido de Cu en fundiciones grises sobre el
comportamiento al desgaste adhesivo en pares de deslizamiento con acero bajo
condiciones de lubricación sin contaminar y contaminada.
Tareas:
1. Revisión bibliográfica sobre hierros fundidos y los fenómenos inherentes al
desgaste adhesivo.
2. Selección y preparación de muestras para análisis químico, metalográfico y
desgaste.
3. Caracterización química y metalográfica de las aleaciones.
4. Determinación de microdureza de la matriz y dureza Brinell de las aleaciones.
5. Realización de ensayos de desgaste de las aleaciones por el método ¨Block on
Ring¨ en condiciones de lubricación contaminada y sin contaminar.
2 Capítulo 1: Fundamentación teórica
1.1- Generalidades sobre las fundiciones
La industria de la producción de hierro fundido es una de las principales a nivel
internacional. Anualmente son producidas piezas que son ensambladas y empleadas
como componentes de equipos y maquinarias. La producción de hierro fundido es el
triple al resto de las producciones de metales ferrosos y no ferrosos juntos, superado
solo por la producción de acero laminado [2].
El hierro fundido gris es una aleación ferrosa, contiene en general más de 2% de
carbono y más de 1% de silicio, además de manganeso, fósforo y azufre. Una
característica distintiva del hierro gris es que posee carbono en forma de grafito,
adoptando formas irregulares. Este grafito es el que le da la típica coloración gris a las
superficies de fracturas en las piezas elaboradas con este material.
Las propiedades físicas y en particular las mecánicas varían dentro de amplios
intervalos respondiendo a factores como la composición química, rapidez del
enfriamiento después del vaciado, tratamiento térmico y parámetros microestructurales
como la naturaleza de la matriz y las formas y tamaño de grafito.
La fundición difiere del acero por su composición (mayor contenido de carbono) y por
sus propiedades tecnológicas (mejores cualidades para la fundición, poca actitud para
las deformaciones plásticas). En condiciones ordinarias no puede forjarse.
La insuficiencia fundamental de la fundición gris radica en su baja resistencia ante el
desgaste erosivo-corrosivo debido a sus bajas propiedades mecánicas y la presencia
del grafito laminar que debilita la base metálica, siendo además su entalle,
concentrador de tensiones y punto de inicio y desarrollo de microgrietas, aunque por
otra parte, su costo es bajo.
De acuerdo con el diagrama hierro-carbono (figura 1.1) [3-6] en el caso de equilibrio
estable todo el carbono en la fundición se desprende en forma de grafito y la matriz
metálica en forma de ferrita y perlita; para el equilibrio meta estable todo el carbono se
desprende en la fundición en forma de cementita Fe3C (fundición blanca).
3 Figura 1.1 Diagrama de estado hierro-carbono
La fundición gris contiene carbono en forma de grafito y cementita que se halla en la
perlita. Las propiedades de la fundición gris dependen en gran parte de la cantidad de
grafito, perlita y ferrita, como también de la forma y tamaño de las inclusiones de
grafito. Las inclusiones de grafito debilitan la sección transversal de la matriz metálica
en la dirección perpendicular a la aplicación de la fuerza de extensión externa y ejerce
una acción "de entalla" en la matriz metálica. El grafito reduce la resistencia de la
fundición a la tracción, como también la elasticidad y la ductilidad (alargamiento
relativo, resiliencia). Es posible reducir la influencia negativa del grafito en estas
propiedades disminuyendo la cantidad y las dimensiones de las inclusiones así como la
aproximación máxima de su forma a la esferoidal.
A diferencia del acero, la fundición posee una baja sensibilidad a las entallas. Las
entallas que aparecen en la fundición (sopladuras, poros, inclusiones no metálicas,
trazos que se forman durante el maquinado por corte, etc.) disminuyen en grado
pequeño la resistencia de la estructura de la fundición. Esta particularidad de la
fundición se explica por la existencia de un gran número de entallas, creadas por las
inclusiones de grafito.
4 1.2- Clasificación de las fundiciones
En dependencia del estado en que se encuentra el carbono en la fundición, se
distingue:
1. La fundición blanca, en la cual todo el carbono se halla en estado ligado en forma
de carburos.
2. La fundición gris, en la cual el carbono se encuentra en alto grado o en su totalidad
en estado libre en forma de grafito laminar.
3. La fundición de alta resistencia, en la cual el carbono, en grado considerable o en
su totalidad se halla en estado libre formando grafito esferoidal. En esta, el grafito
se cristaliza en las aleaciones modernas de alta resistencia, llamadas también
nodulares. El grafito toma forma esférica o de nódulo, producto de un procedimiento
especial de inoculación de elementos, con el magnesio y el cerio.
4. La fundición maleable que se obtiene por recocido (maleabilización) de la fundición
blanca. Este grafito tiene forma compacta casi equiaxial, pero no es redondo como
el esferoidal. Se denomina también grafito de recocido.
La fundición blanca (figura 1.2) [7] recibió este nombre por el aspecto de su fractura,
que tiene un color blanco mate. Está compuesta de perlita y cementita estructuralmente
libre (P+C), el carbono se halla en esta, en forma de composición química con el hierro
y el grado de grafitización es nulo.
La fundición blanca posee una alta dureza,
fragilidad y prácticamente no es posible trabajarla con herramientas de corte, por lo que
es poca su utilización en la construcción de máquinas, solo en aquellos casos cuando
la pieza trabaja al desgaste (mandíbulas para las trituradoras de piedra, bolas
rompedoras, zapatas de freno para vagones, etc.). La superficie de trabajo de las
piezas debe tener la estructura de la fundición blanca, mientras la parte central, como
la más resistente, debe poseer la estructura de la fundición gris. Estas molduras se
llaman templadas al aire. La fundición blanca pobre en carbono y la pobre en silicio
también se emplean para la producción maleable. Inicialmente las molduras se
5 producen de fundición blanca, luego estas son expuestas a tratamiento térmico,
recocido, y se obtiene la fundición maleable.
Figura 1.2 Fundiciones blancas: a) hipereutéctica; b) eutéctica; c) hipoeutéctica
La fundición gris [8] es el más empleado, con una producción anual superior al resto de
los metales fundidos. Tiene por lo general grafito laminar, su presencia le proporciona
características como la baja resistencia a la tracción, al impacto y a la abrasión, y muy
baja ductibilidad. Sin embargo, presenta propiedades excelentes como la colabilidad,
facilidad para el maquinado y la amortiguación de vibraciones. Se emplea en la
fabricación de carcazas, bloques, cuerpos de válvulas, maquinaria agrícola y bancada
de máquinas de herramientas. Por la estructura de la base metálica, las fundiciones se
dividen en cuatro tipos:
La fundición gris perlitocementítica (P+C+G) consta de perlita, inclusiones de
cementitas estructuralmente libre y grafito laminar. Es posible obtener esta estructura
con un reducido contenido de silicio en la fundición y un rápido enfriamiento de las
piezas en el molde. Estas fundiciones poseen una elevada resistencia y se labran mal
con cuchillas. Mediante la inoculación con magnesio o cerio es posible obtener una
fundición de alta resistencia con una estructura perlitocementítica y grafito esferoidal.
6 La fundición gris perlítica (P+G) se compone de perlita y grafito laminar, después de la
inoculación con magnesio o cerio (figura 1.3) [9], de perlita y grafito esferoidal.
Generalmente, la fundición perlítica contiene grafito de láminas pequeñas y tiene una
dureza moderada (HB 200-300), alta resistencia mecánica y resistencia al desgaste y
se labra bien con cuchillas. La fundición gris perlítica con grafito esferoidal posee una
resistencia mecánica aun mayor, por eso se llama de alta resistencia.
Figura 1.3 Fundición gris perlítica: con grafito laminar (izq.); con grafito esferoidal (der.)
La fundición gris perlitoferrítica (P+F+G) está compuesta de perlita, ferrita y grafito
laminar (figura 1.4, a) [9]. La resistencia de la fundición perlitoferrítica es inferior a la de
la perlítica, puesto que las láminas de grafito en estas son mayores. Su dureza es
inferior y se labra con más facilidad por corte. La estructura P+F+G con grafito laminar
con más frecuencia se encuentra en las molduras de fundición corrientes, utilizadas en
la construcción de máquinas. a)
b)
Figura 1.4 Fundición gris a) perlitoferrítica; b) ferrítica
7 La fundición gris ferrítica (F+G) consta de ferrita y grafito laminar (figura 4, b), se
obtiene siendo alto el contenido de silicio y carbono en las molduras de paredes
gruesas y su lento enfriamiento en el molde. Las inclusiones de grafito son muy
grandes. La fundición ferrítica posee propiedades mecánicas bajas, es muy blanda,
frágil, se desgasta con rapidez, pero se maquina con facilidad. Esta fundición no es
aceptable en la construcción de máquinas.
Figura 1.5 Microestructura de la fundición con diversa forma de grafito.
a) Forma laminar del grafito (fundición gris ordinaria); b) esferoidal (fundición de
alta resistencia); c) rosetas (fundición maleable)
El grafito de las fundiciones puede tener tres formas principales [10]:
Grafito laminar. En la fundición gris ordinaria toma el grafito la forma de vetas
pequeñas; este grafito se llama laminar. En la figura 1.5, a) se muestra la estructura de
la fundición ferrítica ordinaria con vetas de grafito; la vista espacial de estas inclusiones
de grafito se reproduce en la figura 1.6, a).
Grafito esferoidal. En la búsqueda del aumento del módulo de elasticidad del hierro
surgió hace relativamente pocos años el hierro esferoidal el cual es de mayor
elasticidad y resistencia mecánica que las fundiciones grises y se utilizan en piezas
donde la ductibilidad es de mucha importancia (Piñones, ejes cigüeñales, válvulas y
cuerpos de bombas para alta presión, tubería), llamado por algunos autores como
hierro dúctil, por el incremento que sufre esta propiedad. Sin embargo estas aleaciones
8 no son las más utilizadas en el caso donde las piezas producidas son empleadas en
condiciones donde predomina el desgaste abrasivo, donde el hierro blanco presenta un
mejor comportamiento y aún superior los hierros de elevada aleación, pero estos
últimos tienen el gran inconveniente de ser prácticamente no maquinables [10]. En la
figura 1.5, b) se ve la microestructura de la fundición gris con grafito esferoidal, y en la
figura 1.6, b), la fotografía de una inclusión de grafito.
Figura 1.6 Aspecto exterior de las inclusiones de grafito en la fundición: a)
inclusiones laminares; b) esferoidales
Grafito nodular. Con el objetivo de mejorar la baja resistencia a la tracción del hierro
gris, fue inventado el hierro maleable, el cual se obtiene a partir de la fundición blanca
aprovechando la inestabilidad de la cementita
se somete a recosido para
descomponerla, el grafito que se obtiene toma una forma compacta, casi equiaxial,
pero no redonda con matriz perlítica, pero el costo de estas producciones es muy
superior al del hierro gris [10].
Por lo tanto, la fundición con grafito laminar se llama fundición gris ordinaria, la
fundición con grafito esferoidal, fundición de alta resistencia, y la fundición con grafito
nodular, fundición maleable.
La plasticidad de la fundición atendiendo a la forma del grafito se caracteriza por los
siguientes valores del alargamiento relativo [10], en %:
9 Grafito
Laminar
Nodular
Esferoidal
∆, %
0.2-0.5
5-10
10-15
Figura 1.7 Clasificación de la fundición atendiendo a la estructura de la
matriz metálica y a la forma de las inclusiones de grafito
La plasticidad depende poco de la estructura del metal básico. La dureza HB,
determinada por la estructura de la base metálica tiene los valores siguientes:
Fundición
Ferrítica
Dureza HB
150
Ferrito-perlítica
200
Perlítica
250
1.3 - Fundiciones aleadas
Los elementos de aleación mejoran las propiedades mecánicas, la resistencia al
desgaste, la piroresistencia, las propiedades de antifricción y otras de la fundición. En
dependencia del contenido de elementos de aleación las fundiciones se dividen en de
baja aleación (hasta el 3% de elementos de la aleación); de alta aleación (más del 10%
de los elementos de la aleación) [6, 7] . En calidad de elementos de aleación para la
fundición se utiliza el níquel, cromo, molibdeno, manganeso, aluminio, cobre y titanio.
10 Las que mayor aceptación han obtenido en la construcción de maquinaria son las
fundiciones de baja aleación.
Fundiciones de construcción de baja aleación. Las fundiciones aleadas al cromo níquel de diversas marcas contienen 0.3-0.4% de Cr y 0.1-2% de Ni. En la carga se
introduce hasta un 8% de fundición de combinado de Orsko-Jalilosvsk, la cual contiene
en término medio 1% de Ni y 2.5-2.7% de Cr. La fundición aleada con 0.25-0.35% de
Cr y 0.25-0.35% de Ni se emplea para la elaboración de los bloques de cilindros para
automóviles, tambores de freno, bancadas para máquinas y otras molduras importantes
en la construcción de maquinaria. Estas fundiciones tienen altas propiedades
mecánicas y buena resistencia al desgaste.
En la fundición de baja aleación la eficacia de la aleación se determina por la presencia
del cromo. En las molduras de paredes delgadas de fundición al cromo - níquel con un
contenido de 0.3-0.4% de Cr y 0.1-2% de Ni es posible en temple al aire, por eso en
estos casos la fundición líquida se inocula con ferrosilicio, silicocalcio o grafito.
Los aros de pistones para automóviles se elaboran de fundición de baja aleación, con
un contenido en %: 3.8-3.9 de C; 2.4-2.6 de Si; 0.2-0.1 de Cr; 0.15-0.25 de Ni; 0.35-0.5
de Cu; 0.1-0.2 de Ti. Para obtener una fundición con esta composición, en la carga se
introduce arrabio al titanio - cobre que contiene en pequeñas cantidades elementos de
aleación: cromo, níquel, cobre y titanio. Los grandes tambores de freno para
automóviles y aviones se fabrican de fundición que contiene en %: 3.8 de C; 1.35 de Si;
2.0 de Ni; 0.25-0.35 de Cr; 0.4-0.5 de Mo. La resistencia a la tracción de la fundición es
igual a 274 Mpa (28 kgf/mm2). Esta fundición de baja aleación tiene una estructura
homogénea y se maquina bien.
Las fundiciones resistentes al desgaste se emplean para molduras que trabajan en
condiciones de elevado desgaste (para cojinetes, cilindros, bujes, tambores de freno y
otros). Con el propósito de lograr una elevada resistencia al desgaste la fundición se
alea con elementos que contribuyen a la creación de carburos resistentes al desgaste
(cromo, molibdeno y otros). La fundición tipo Nihard tiene una composición en %: 2.73.6 de C; 0.4-1 de Si; 0.25-0.7 de Mn; 3.0-5 de Ni; 1.2-2.8 de Cr; <<0.15 de Si; << 0.4
de P.
11 La fundición resistente al desgaste se emplea para moldes para cerámica, los rodillos
de transportadores, bolas rompedoras, etc. La fundición Nihard tiene una estructura
martensítica, que posee elevada resistencia al desgaste, una gran contracción lineal
(hasta el 2%) y bajas propiedades de fundición, como las fundiciones blancas.
Fundiciones no magnéticas. Estas son fundiciones de alta aleación que contiene en
calidad de elementos de aleación principales el níquel, manganeso, cobre y aluminio.
Al añadir estos elementos la fundición tendrá estructura austenítica. En el caso de alear
la fundición con níquel y manganeso al contenido aproximado de carbono en estas
para obtener la estructura austenítica debe satisfacer la igualdad
[% Ni] + 2.5 [% Mn] + 1.8 [% C] = 33
Las fundiciones no magnéticas contienen un 9-12% de Ni; la adición de 2% de Cu da la
posibilidad de reducir el contenido de níquel.
A consecuencia de la escasez de níquel se han elaborado fundiciones con un
contenido de aluminio hasta el 20-30% de Al.
Fundiciones resistentes a la corrosión. Las fundiciones pobres en cromo se
caracterizan por una elevada resistencia a la corrosión en agua de mar y corriente. Las
fundiciones aleadas con 0.5-1% de Ni, poseen una alta resistencia en álcalis. Tienen
una resistencia en álcalis aun más elevada las fundiciones aleadas con cromo y níquel
(de a 0.5-1% cada uno). Las fundiciones aleadas con cobre y antimonio en cantidad de
0.8% cada uno poseen elevada resistencia a la corrosión en ácido muriático (en 20-30
veces más que las fundiciones no aleadas).
Ocupan un lugar especial entre las aleaciones resistentes a la corrosión los
ferrosiliciuros. Estos son aleaciones con un contenido de 14.5-18% de Si, con un
contenido de carbono de cerca del 0.5%.
Las fundiciones con alto contenido de silicio del tipo de los ferrosiliciuros tienen buena
fluidez, son resistentes al desgaste, frágiles y se labran con dificultad, tienen una gran
contracción lineal (1.7-2.3%) y una dureza Brinell HB 2740-4500 Mpa (300-460
kgf/mm2).
12 Estas aleaciones tienen una elevada resistencia a la corrosión en ácido sulfúrico de
cualquier concentración. Su elevada estabilidad química está determinada por la
creación de una película protectora de sílice SiO2 a consecuencia de la acción del
ácido sobre la moldura. En el ácido muriático caliente y algunas otras substancias la
película de SiO2, que protege las molduras de aleaciones ricas en silicio de la
corrosión, se destruye. En estos casos se emplean fundiciones al silicio-molibdeno,
llamadas anticloros. En estas fundiciones se añade adicionalmente un 3.5-4% de Mo.
Poseen una resistencia elevada a la corrosión las fundiciones de estructura austenítica.
Por ejemplo la fundición nirezita. Esta tiene una elevada estabilidad química o
temperatura normal en ácido sulfúrico, fórmico, acético, en sosa cáustica y en algunas
sales y álcalis, como también en agua de mar. La composición de la nirezita es en %:
0.4 de P; hasta 0.12 de S; 12-16 de Ni; 6-8 de Cu; 1.5-4 de Cr. Estas fundiciones tienen
una elevada resistencia al desgaste y estabilidad térmica; se utilizan para camisas de
bloques, cilindros para motores de automóviles.
Las fundiciones termorresistentes se emplean para molduras que trabajan a
temperaturas de hasta 600º C bajo carga. Para elevar la termorresistencia de la
fundición en esta se introducen adiciones de aleación: níquel, cromo y molibdeno. La
estructura de estas fundiciones debe ser austenítica-grafitica; el grafito debe ser
esferoidal. Las molduras son expuestas a tratamiento térmico por el régimen de
calentamiento hasta 1030-1050º C, una exposición de 2-4 h, la normalización y el
posterior revenido a 550-620º C.
Las fundiciones refractarias son capaces de ejercer resistencia al crecimiento (≤2%) y a
la formación de cascarilla [≤0.5g/ (m2*h)] a la temperatura prefijada durante 150 h. Las
molduras de fundición que trabajan a altas temperaturas se destruyen no solo a causa
de la insuficiente resistencia al fuego, sino que también a causa del aumento de su
volumen, el cual puede alcanzar el 10% y sucede al calentarse a más de 400º C. En
este caso las molduras de fundición se deforman, en esta se crean grietas y estas
quedan fuera de servicio. El aumento del volumen de la fundición se explica por el
hecho de que la cementita, que se halla en la fundición se desintegra separándose el
grafito. Cada tanto por ciento de carbono, que se encuentra en la fundición en forma de
13 cementita, al desintegrarse aumenta el volumen aproximadamente en un 2.5%, puesto
que los gases que oxidan la fundición, penetran junto a los desprendimientos de grafito.
La penetración de los gases a la fundición y su oxidación será tanto mayor, cuanto más
grueso sea el grafito que se desprende en la fundición al desintegrarse la cementita.
De esta manera, para molduras de fundición con elevada resistencia al fuego y
resistencia al crecimiento es necesario elegir una composición química de la fundición
tal, que en las molduras pueda crearse una película de protección estable que impida la
penetración de los gases en el metal, en este caso, se excluye la desintegración de la
cementita.
La fundición que contiene un 5% de Al se llama silal, la fundición con un contenido de
19-25% de Al, shugal.
El silal tiene baja resistencia mecánica y resiliencia, es propenso a la creación de
grietas. Al añadir en el silal manganeso o cromo mejoran sus propiedades mecánicas y
al adicionar cobre se eleva la resistencia a la formación de cascarilla y mejora la
fluidez. Posee una resistencia muy elevada a la formación de cascarilla y al crecimiento
la fundición (silal) con grafito esferoidal.
El chugal se distingue por su elevada resistencia al fuego, se labra bien por corte y
posee propiedades de fundición comparativamente satisfactorias. Este tiene una gran
contracción, el volumen de los rechupes de contracción forma un 3-7% con un
contenido de 18-23% de Al en la fundición. La contracción lineal del chugal con un
contenido de 25% de Al constituye un 2.4-2.6%. El chugal con grafito esferoidal posee
una resistencia al fuego más elevada que la fundición gris con grafito esferoidal. Esta
fundición con frecuencia se utiliza para fabricar crisoles para aleación de aluminio.
1.4 - Influencia de la composición química en la estructura y las propiedades de
la fundición
Por el contenido de carbono las fundiciones se dividen en hipoeutécticas, eutécticas y
hipereutécticas [8]. Durante la solidificación de las fundiciones hipoeutécticas en primer
lugar, se separa la fase rica en carbono, es decir, el grafito primario o la cementita
primaria. La solidificación de la eutéctica tiene lugar a temperatura constante. La
14 composición de la eutéctica y la temperatura de transformación eutéctica dependen del
sistema en que transcurre: en el estable o metaestable. La estructura de la fundición se
forma definitivamente durante la transformación eutectoide [11].
Durante la cristalización de la fundición gris al momento de la transformación eutectoide
los componentes estructurales principales son la austenita y el grafito, que se forma
durante la transformación eutéctica y se desprende de la austenita al enfriarse en el
intervalo de temperaturas desde la transformación eutéctica a la eutectoide. Durante la
transformación eutectoide tiene lugar el reagrupamiento de los átomos de hierro de la
red cúbica de caras centradas γ - Fe en cúbica centrada en el volumen α - Fe y la
separación difusiva del carbono del hierro. Como resultado de la transformación se
crean estructuras, compuestas de ferrita y de la fase rica en carbono. Al enfriarse
lentamente el carbono se separa en forma de grafito. En este caso la estructura
definitiva de la fundición será ferrita+grafito (F+G). En el diagrama (véase la figura1.1)
además, de Fe -Fe3C se han marcado las líneas de trazo del sistema Fe–C. El
diagrama Fe-C es parecido al diagrama Fe-Fe3C, pero sus líneas están un poco
desplazadas hacia la izquierda y hacia arriba. Los puntos característicos en el
diagrama Fe-C están designados con las mismas letras que en el diagrama Fe-Fe3C,
pero con apóstrofe. Por la línea C´D´ tiene lugar la precipitación del grafito primario, por
la línea E´C´F´, la solidificación de la eutéctica de grafito, esta es una mezcla mecánica
de austenita y grafito. Durante el enfriamiento posterior hasta la línea P´S´K´ se
desprende la mezcla eutectoide compuesta de ferrita y grafito. Las fundiciones en las
cuales el carbono se separó completamente en forma de grafito, se llaman ferríticas,
puesto que su matriz metálica la compone la ferrita. El carbono se desprende en forma
de grafito solo en el caso de enfriamiento muy lento. Siendo rápido el enfriamiento en el
proceso de cristalización (primaria y secundaria) no se desprende el grafito sino
cementita. Al aumentar algo la velocidad de enfriamiento, cesa la separación de
eutectoide de grafito hasta la línea P´S´K´ y el carbono restante pasa (por la línea PSK)
a cementita y como resultado, se forma cierta cantidad de perlita. Esta fundición tendrá
la estructura ferrita, perlita e inclusiones de grafito (F+P+G), y se llama hierro fundido
gris [12].
15 Si se continua elevando la velocidad de enfriamiento hasta la línea P´S´K’ no se
desprende el eutectoide de grafito, y la austenita por la línea PSK se convierte en
perlita. Esta fundición tendrá la matriz: perlita e inclusiones de grafito en forma de
escamas, se denomina perlítica y tiene una estructura perlita + grafito (P+G).
Al aumentar la velocidad de enfriamiento entre las líneas de transformación eutéctica y
eutectoide de la austenita aun antes de la perlita se separará no grafito sino cementita.
Esta fundición tiene la estructura perlita-cementita secundaria-grafito (P+C+G) y se
llama perlito-cementítica.
A veces en la estructura de la fundición a la par del grafito se halla la ledeburita (al
aumentar la velocidad de enfriamiento y en el caso de transformación eutéctica). Esta
fundición se llama atruchada. La fundición blanca está completamente sin grafitizar, el
carbono se encuentra en esta en forma de compuesto químico con el hierro. La
estructura de la fundición blanca se compone de perlita y cementita libre
estructuralmente (P+G).
Las fundiciones se consideran eutécticas si estas contienen un 4.2-4.3% de C. al haber
muchos componentes es posible la creación en la fundición de eutécticas complejas.
Por ejemplo, el fósforo (con un contenido en la fundición de >0.06-0.08%) forma con el
hierro y el carbono una eutéctica de fosfuro, que se solidifica a 950ºC. La dimensión y
la forma de las inclusiones de grafito dependen de la existencia en la fundición líquida
de centros de cristalización, de la velocidad de enfriamiento y el contenido de
impurezas grafitizantes. Cuanto mayor es la cantidad de partículas pequeñas insolubles
en la fundición líquida (centros de cristalización), tanto más fino será el grafito.
Para elevar la cantidad de centros de cristalización antes de la colada en la fundición
líquida se introducen inoculantes: grafito, silicio, silicocalcio, aluminio y otros. Al
disminuir el tiempo de cristalización y elevar el contenido de componentes grafitizantes
en la fundición, las láminas de grafito se hacen más grandes y se alargan.
1.4.1- Influencia de los elementos de aleación.
En las aleaciones de Fe se tienen en cuenta en primer orden el nivel de los elementos
adicionados y su efecto sobre la matriz y la forma en que se presenta el carbono,
16 elemento que después del hierro define las estructuras que aparecen en las aleaciones
y esto se debe a que los elementos de aleación tienen una importancia decisiva pues
ellos modifican la situación de los puntos críticos y ejercen una acción importante y
compleja en el proceso de grafitización [13]. Se pueden clasificar de acuerdo a su
efecto sobre el proceso de grafitización en agentes grafitizantes o agentes formadores
de carburos. Dentro de estos últimos se encuentran los elementos de transición del
tercer período con el nivel 3d menos ocupado que el hierro, entre ellos se encuentra el
manganeso, el vanadio, el cromo y el titanio, así como elementos de transición de otros
períodos como el molibdeno y el wolframio. En el caso particular del titanio, es
formador de carburos cuando se encuentra por encima de 0,12%, pues por debajo de
ese valor se comporta como un agente grafitizante. Los elementos con orbitales 3d
más ocupados que el hierro se conducen como agentes grafitizantes, son elementos
representativos de esto el aluminio, el silicio y el fósforo, de una importancia práctica
especial en la metalurgia del hierro fundido.
El silicio reduce la solubilidad del carbono en las soluciones líquidas y sólidas,
contribuye a la formación de grafito, por eso al aumentar su contenido se reducen las
propiedades mecánicas de las funciones ricas en carbono a consecuencia de la
formación de grandes inclusiones de grafito [13].
El grado de eutecticidad de la fundición se determina por la parte de la eutéctica en su
estructura. En caso de transformación en el sistema metaestable, el grado de
eutecticidad se halla por la fórmula:
. Se =
C−2 C−2
=
4,3 − 2
2,3
donde C es el contenido de carbono en la fundición.
Al aumentar el carbono equivalente Ce aumenta la calidad del grafito, se reduce la
cantidad de grafito y su grado de dispersión, se acrecientan las inclusiones de grafito,
lo que reduce la resistencia de la fundición.
17 El proceso de grafitización y la microestructura de la fundición se puede determinar por
dos factores fundamentales: la velocidad de enfriamiento y su composición química.
Cuanto más lento es el enfriamiento, tanto más completo es el proceso de grafitización.
El componente fundamental, además de carbono, es el silicio. Por eso el hierro fundido
se debe considerar como una aleación ternaria de Fe-C-Si.
El diagrama ternario Fe-C-Si constituye el más importante para las características del
hierro. Un corte del diagrama metaestable para un contenido de 1,5 % de silicio
construido según los datos de [13] y el diagrama
de equilibrio estable para un
contenido de 1.5, 3, 6 % de silicio. En el sistema meta estable existen tres planos de
equilibrios tetrafasicos: (eutéctoide–peroeutectoide, ferrita + cementita + austenita +
carburo de silicio, carburo de silicio que contiene de 7 a 14 % de silicio) es a 780 ºC;
eutectoide, austenita + cementita + liquido + carburo de silicio, a 1030 ºC; de equilibrio
ferrita + austenita + carburo de silicio + líquido, la temperatura del cual no se ha
establecido. El los hierros de alto carbono 3.5 y 3.7 % de carbono
ya para un
contenido cercano al 2% de silicio ocurre la reacción eutéctoide-peroeutectoide por dos
reacciones: la eutectoide, austenita + carburo de silicio→ ferrita + carburo de silicio +
cementita) y peroeutectoide (austenita + cementita + carburo de silicio → ferrita +
cementita).
Cuando el contenido de silicio es inferior al 2 %, la transformación austenita ocurre por
la reacción eutectoide común, la temperatura de la cual es mayor a mayor contenido de
silicio en el metal. En los hierros de bajos carbono de 2.3 a 2.5 % de silicio, la
transformación de austenita ocurre por el esquema clásico y para un contenido mayor
del 2.5 % de silicio, se adquiere un carácter eutectoide – peroeutectoide. En el campo
de alta temperaturas del diagrama para bajas concentraciones de silicio; la
transformación de fase se corresponde con el esquema clásico, pero para altos
contenidos de carbono ya puede ocurrir la reacción eutéctica (líquido + austenita +
cementita + carburo de silicio. En el sistema estable la región de ferrita + austenita +
grafito más la acción del silicio se amplía intensivamente y la temperatura de ella
aumenta. La región del equilibrio eutéctico (austenita + liquido + grafito) para un
18 contenido de 6 % de silicio se mantiene muy estrecho (su ancho cercano al punto de la
eutéctica, en solo algunos grados) a propósito
su temperatura aumenta
significativamente hasta 1160 ºC para el 5 % de silicio. Para una temperatura más alta
(cercana a los 1165 ºC) en el sistema se arriba al equilibrio tetrafasico ferrita +
austenita + liquido + grafito en el sistema estable el silicio completamente se disuelve
en la austenita y ferrita en el meta estable para un contenido elevado de silicio (+ 2%)
este parcialmente se disuelve en el carbono formando carburo de silicio [13].
El silicio es un elemento grafitizante. En la práctica retardar el proceso de formación de
cementita funciona como si se disminuyera la velocidad de enfriamiento a la aleación.
Variando el contenido de silicio se pueden obtener fundiciones totalmente diferentes,
en cuanto a sus propiedades y estructura [14].
Con poca cantidad de silicio se obtienen fundiciones blancas y al aumentar el contenido
del mismo, se obtienen fundiciones grises. Las blancas son duras y frágiles por la
presencia de Fe3C, mientras las grises son más blandas y presentan mayormente
grafito. El manganeso, opuesto al silicio, favorece la formación de carburos dificultando
la segregación de carbono libre o grafito.
Cuanto mayor es la cantidad de carbono en la fundición, tanto menor es la cantidad
necesaria de silicio para obtener la estructura deseada. Al mismo tiempo el contenido
de silicio debe ser aumentado en las fundiciones de secciones pequeñas, que se
enfrían rápidamente o en la fundición con menor contenido de carbono. El espesor de
la fundición depende de la construcción de la pieza, entonces la estructura obtenida de
la fundición se determina por el contenido total de carbono y de silicio.
El silicio en forma de ferrosilicio 75% se utiliza como inoculante en los hierros grises en
contenidos de 0,25-0,5 % de la masa fundida con el objetivo de lograr estructuras
perlíticas uniformes y grafito en pequeñas laminas. La introducción de silicio altera el
diagrama
de equilibrio hierro carbono, pues varía la composición eutectoide, la
composición eutéctica, la máxima solubilidad del carbono en la austenita y la
temperatura de transformación eutéctica y eutectoide a temperaturas más elevadas.
19 Otra cosa que no es evidente es que mientras la metalografía del acero es confinada al
sistema metaestable Fe-Fe3C, la metalurgia del hierro fundido puede ocurrir tanto en el
sistema metaestable como en el estable hierro-grafito o en ambas a la vez, lo que hace
que el análisis de la estructura del hierro fundido sea más compleja que en acero y
mucho más susceptible a las condiciones del proceso usadas en su producción. Es
conveniente cambiar el efecto del silicio con el carbono en un factor sencillo que es
llamado carbono equivalente.
C.E=% C+1/3 Si
Cuando el carbono equivalente es igual a 4,3 estamos en presencia del punto
eutéctico. El hierro fundido igual se puede obtener con diferentes contenidos de
carbono y silicio. Cuando hay apreciables cantidades de fósforo en el hierro fundido la
expresión del carbono equivalente se incluye este y la expresión queda de la siguiente
forma:
C.E=% C+1/3 (Si +P)
El manganeso [13] se disuelve en la ferrita y se combina con el carbono creando
carburo, y con el azufre el sulfuro manganeso MnS, lo que eleva la resistencia de la
fundición y reduce su viscosidad. El manganeso en la fundición neutraliza la influencia
nociva del azufre.
El manganeso reduce la temperatura de transformación γ → α, amplía la gama de la
solución - γ y contribuye al afino de la perlita. Un contenido de hasta 1.5% de Mn
influye positivamente en las propiedades mecánicas de la fundición gris.
El azufre con el hierro forma una eutéctica fusible con una temperatura de fusión de
985 ºC. En la fundición líquida el azufre puede disolverse en cantidad ilimitada y en la
sólida en cantidad insignificante.
El azufre se encuentra en forma de sulfuros ricos en hierro, o en forma de eutéctica,
este frena la grafitización en las fundiciones pobres en manganeso, reduce sus
propiedades a causa de la creación de una eutéctica frágil en los límites de los granos.
La neutralización de esta influencia del azufre y el grano máximo de grafitización para
la fundición se logra siendo la relación Mn/S = 4٪5. En este caso, el azufre se halla
20 principalmente en forma de sulfuros manganosos, que no influyen en la grafitización.
Los compuestos de sulfuro elevan la viscosidad de la fundición, empeoran la fluidez y
las propiedades mecánicas. Con un contenido de 0.12-0.14% de S se reduce
bruscamente la fluidez y aumenta la cantidad de cementita y perlita en la estructura de
la fundición, ocurre el temple al aire en las secciones delgadas de las molduras. El
temple al aire resulta debido a que los sulfuros ferrosos, teniendo una baja temperatura
de fusión, se cristalizan por los límites de los granos y obstaculizan la disolución del
carbono, el silicio en el hierro y la desintegración de la cementita.
El azufre favorece también la formación de la fundición blanca, y empeora las
características de fusión y colada, al disminuir la fluidez de la aleación. Al igual que en
los aceros, provoca la fragilidad al rojo, conduciendo al agrietamiento de piezas y
lingotes. Dicha fragilidad es debida a que el azufre forma una eutéctica muy fusible la
cual solidifica tardíamente y se distribuye entre los granos metálicos de la fundición. El
contenido de azufre para piezas pequeñas solo se admite hasta un 0,08%, y para las
más grandes hasta 0,12%.
El fósforo reduce la solubilidad del carbono en la fundición y la temperatura de
transformación eutéctica. El fósforo, siendo su contenido hasta el 0.3%, se disuelve en
la fundición completamente, y superior al 0.3% crea una eutéctica de fosfuro en forma
de inclusiones separadas de Fe3P - Fe3C - Fe, que se funde a 950ºC. Con un contenido
mayor del 0.6-0.7% de P la eutéctica de fosfuro
se separa en forma de una red
continua, dispuesta por los límites de los cristales. Por eso en la fundición para
molduras importantes debe haber ≤ 0.15-0.20% de P, y para las molduras que
experimentan frote sin golpes, cuando se requiere buenas propiedades de antifricción,
<0.6-0.7% de P.
El fósforo eleva la fluidez, por eso su contenido en la fundición para piezas artísticas se
eleva hasta el 1% y más. La influencia del fósforo en la grafitización es insignificante.
El cromo en la fundición durante la transformación eutéctica sirve como elemento que
forma carburos, y durante la eutectoide eleva la estabilidad de la austenita. El cromo
eleva la resistencia de la fundición a temperaturas elevadas y calentamientos múltiples,
por lo que se introduce en la composición de las fundiciones resistentes a la formación
21 de cascarilla y altas temperaturas. El cromo eleva la dureza, la resistencia al desgaste,
la corrosión en agua de mar y soluciones ácidas débiles, pero aumenta la fragilidad de
la fundición. Con un contenido mayor del 0.8% de Cr la resistencia de la fundición se
reduce a causa de la formación de carburos de cromo libres.
El níquel en las aleaciones hierro - carbono reduce los puntos críticos A1 y A3, desplaza
hacia la izquierda y hacia abajo los puntos críticos E y S, eleva algo la temperatura de
transformación eutéctica, aumenta la estabilidad de la austenita, la solubilidad del
carbono en soluciones líquidas y sólidas, como también el contenido de carbono en la
eutéctica y eutectoide, es un elemento grafitizante. El níquel actúa en la transformación
eutéctica en forma análoga al silicio, al mismo tiempo retiene la desintegración de los
carburos eutectoides y con ello estabiliza la perlita y contribuye al aumento de su grado
de dispersión [13].
Con un contenido mayor del 2% de níquel la estructura de la fundición se convierte al
principio completamente perlítica, luego sorbítica; con un contenido de 4.5-5% de Ni se
forma martensita. El níquel eleva la resistencia a la corrosión de las molduras de
fundición en agua de mar y álcalis.
El cobre con un contenido de hasta un 3-4% se disuelve con facilidad en la fundición
líquida, contribuye a la grafitización y reduce la dureza de la fundición, en la fundición
gris contribuye a la estabilización de la perlita y eleva la dureza, disminuye la
temperatura de transformación eutéctica, favorece a la obtención de una estructura
próxima a la homogénea en las secciones delgadas y gruesas. El reducido contenido
de cobre en la fundición rica en carbono eleva la resistencia y la dureza. Durante la
solidificación del hierro colado el cobre contribuye a la grafitización, pero en el proceso
de la transformación eutectoide esta obstaculiza la desintegración de la perlita. El cobre
eleva la resistencia de la fundición a la corrosión en condiciones atmosféricas, en
soluciones de sales, ácidos y petróleo.
El diagrama de estado y la influencia del cobre en la estructura fueron estudiados por
varios investigadores. Vogel y Danonhl realizaron en su trabajo [15] el diagrama de
estado corregido (ver figura 1.8). De acuerdo con este diagrama existe una amplia
región de disgregación en estado líquido. La solubilidad del cobre en el hierro gamma a
22 1477°c es de aproximadamente 8 %, esta aumenta con la disminución de la
temperatura y para 1094 °c es igual a 8,5 %. El punto eutectoide cae para 810°c y 5,6
% de cobre. De acuerdo con los datos Buchholtz y kiostel [16] en la solución sólida que
esta en la eutectoide se contiene alrededor de 2,3% de cobre. En contradicción con
Buchholtz y kiostel, de acuerdo con los cuales la máxima solubilidad de cobre para
810°c es de 3,3%. Norton [17] estableció que la máxima solubilidad en alfa fase
alcanza solo 1,4% de cobre, la solubilidad disminuye con la disminución de la
temperatura y por debajo de 650°c llega a ser prácticamente constante igual a 0,35%,
lo cual se encuentra en correspondencia con Buchholtz y Kiostel. En el sistema ternario
fue encontrada una eutéctica ternaria para 4,73% de carbono y 3% de cobre. La
temperatura de cristalización de la eutéctica ternaria es de 25°c, inferior que el sistema
binario hierro-carbono. El cobre disminuye un poco el punto perlítico del hierro gris e 610°c para 1% de cobre [18], hasta 3% de cobre disminuye insignificantemente el
contenido de carbono en la eutéctica ternaria, la solubilidad del cobre en el hierro gris
es dada por diferentes autores en los límites de 3-5%. El elemento níquel figura 1.9,
manganeso, aluminio y cromo aumentan significativamente la solubilidad [11].
Figura 1.8 Diagrama de estado hierro-cobre.
23 Figura 1.9 Efecto del níquel en la solubilidad del cobre en el hierro fundido gris líquido.
En el hierro de poco carbono que contiene 14% de níquel, la solubilidad del cobre es de
alrededor de 7% (figura 1.9) y en el hierro con 16% de níquel y 16% de cromo incluso
es mayor al 10% de cobre, por esto el cobre en el hierro gris se introduce en aleaciones
de manganeso-cobre, manganeso-silicio-cobre, manganeso-aluminio-cobre o metal
monel (por ejemplo 20% de metal monel para la obtención de 13,5% de níquel y 6,5%
de cobre). El cobre solamente en un nivel bajo posibilita la formación de grafito. Este no
influye considerablemente en la forma del grafito. Kopp [19] para la adición de 2,36%
de cobre observó unos engrosamientos no significativos de las láminas de grafito, no
obstante East Wood, Bousu y Eddy [20] por el contrario observaron el engrosamiento
de la base perlítica y grafito. El cobre adicionado en una cantidad que supera el límite
de solubilidad (aproximadamente de 4-5%) se libera en el hierro líquido en forma de
gotas las cuales influyen en la cristalización de grafito. Las gotas de cobre bordean las
partículas de escorias que constituyen un inoculante lo que favorece el subenfriamiento
de la eutéctica y la formación de grafito pequeño con estructura dendrítica.
En las aleaciones líquidas se forma una zona de insolubilidad. En las aleaciones con un
contenido bajo de carbono y cobre es posible la reacción peritectica hierro δ +
24 líquido→A (austenita), para altos contenidos de cobre es posible su licuación con la
liberación de ξ-fase que contiene alrededor de 100% de cobre. Para concentración de
cobre menores al límite de solubilidad en el estado licuado en el sistema ocurre la
reacción eutéctica liquido→ A + Cementita. En el estado sólido es posible la reacción
eutectoide A→ferrrita + cementita + ξ. El cobre aumenta la temperatura de equilibrio
eutéctico en el sistema estable (3% de cobre aproximadamente en 14°c y la disminuye
en el metaestable (6,4% de cobre en 15°c) [21].
1.5 Generalidades sobre el desgaste
Existen diferentes conceptos del término desgaste donde el significado depende de la
obra consultada [22-25]. No obstante en todas las definiciones hay aspectos comunes
como: Daño ocasionado por el exceso de uso bajo condiciones de fricción, disminución
de las dimensiones de una pieza, cambio de las superficies producto del
desprendimiento o pérdida del material por causa
mecánica, erosión de material
sufrida por una superficie sólida por acción de otra superficie, resultado de un proceso
producido por el rozamiento. Especial lectura merece la de Koji Kato y Koshi Hadáis
[25], al expresar que el desgaste es el resultado de la eliminación de material por
separación física debido a micro facturas, disolución química o por la fusión debido al
contacto entre superficies. Que no es una propiedad del material, sino una respuesta al
sistema. Por lo mencionado anteriormente es posible asumir que el desgaste ocurre en
una superficie por la fricción con otro cuerpo debido a un proceso multifactorial, que
siempre ocurre y puede ser controlado en cierta medida, pero nunca evitado totalmente
Todo evento que incluya fricción tiene dos efectos negativos: el calor y el desgaste.
Normalmente el desgaste no ocasiona fallas violentas, pero trae como consecuencias:
reducción de la eficiencia de operación, pérdidas de potencia por fricción, incremento
del consumo de lubricantes y eventualmente conduce al reemplazo de componentes
desgastados y a la obsolescencia de las máquinas en su conjunto [26].
El desgaste es uno de los factores que atenta contra la durabilidad y conservación de la
maquinaria, a pesar del desarrollo industrial alcanzado, generando considerables
25 pérdidas de materiales, recursos y tiempo, con la consiguiente disminución de la
producción.
Hay cuatro formas principales de desgaste:
1. Abrasivo:
El desgaste por abrasión, que es el más común en la industria, se define como la
acción de corte de un material duro y agudo a través de la superficie de un material
más suave. Tiende a formar ralladuras profundas cuando las partículas duras penetran
en la superficie, ocasionando deformación plástica y/o arrancando virutas [26].
2. Adhesivo:
El desgaste adhesivo, también llamado desgaste por fricción o deslizante, es una forma
de deterioro que se presenta entre dos superficies en contacto deslizante. Este
desgaste es el segundo más común en la industria y ocurre cuando dos superficies
sólidas se deslizan una sobre la otra bajo presión. El aspecto de la superficie
desgastada será de ralladuras irregulares y superficiales.
3. Corrosivo:
26 El desgaste corrosivo ocurre en una combinación de desgaste (abrasiva o adhesiva) y
de un ambiente corrosivo. El índice de la pérdida material puede ser muy alto debido a
que los productos sueltos o flojos de la corrosión se desprenden fácilmente por el
desgaste y se revela continuamente el metal fresco y que alternadamente puede
volverse a corroer rápidamente [26].
4. Fatiga superficial:
El desgaste por fatiga superficial se observa durante el deslizamiento repetido o
rodamiento sobre una pista. Las partículas suspendidas entre dos superficies
sometidas
a
una
carga
cíclica
pueden
causar
fracturas
superficiales
que,
eventualmente debido a la carga repetida conllevan a la destrucción de la superficie [6].
La problemática de la vida útil y la fiabilidad de los cojinetes de deslizamiento están
relacionadas con el estudio de las leyes y mecanismos del desgaste que sufren durante
sus períodos de explotación [27].
Dentro de los factores que influyen positivamente en el desgaste de las máquinas en
Cuba, se tiene:
9 Condiciones climáticas:
Precipitaciones atmosféricas: son abundantes y regulares.
Humedad relativa:
Temperatura: oscilan entre 10oC y 35oC dando una media anual de 24oC, en invierno
de 21oC y en verano de 27 oC.
En el mundo existen diversos Métodos y Normas para los ensayos tribológicos. Entre
los más conocidos están [27] los de la ASTM, API, IP, INTA, DIN, MIL y otros.
27 A la par se han diseñado y construido máquinas, dispositivos, probetas, métodos de
cálculo y estándares de procedimientos que se aplican en dependencia del par
tribológico, condiciones de trabajo (temperatura, presencia o no de lubricantes,
abrasivos, etc.). Entre las Normas de ensayos tribológicos de desgaste adhesivo,
destaca la ASTM G77 [28] por su flexibilidad, aplicación práctica y relación directa con
este trabajo. Existen diferentes instalaciones experimentales para los estudios
tribológicos de desgaste con máquinas y métodos [29] concebidos para este fin.
El estudio de los fenómenos tribológicos de desgaste y la resistencia de los cuerpos a
la fricción [30], no es posible hacerlo sin determinar sus valores absolutos cuantitativos
y para esto existen numerosos métodos, entre los que se puede citar: rugosímetro,
base de medidas artificiales, huellas, punzonado, barrenado, contenido de productos
del desgaste en los lubricantes usados, entre otros.
Cualquier análisis por simple que sea debe partir de la determinación del mecanismo
de desgaste predominante [31]. Para ello es imprescindible conocer la micro geometría,
estructura y propiedades de las capas superficiales (tensiones residuales, composición
química, acritud) del par. Análisis de rigor requieren hacer diversos ensayos que se
complementen entre sí y den respuesta al comportamiento y resultado obtenido. En
cada caso hay que diseñar y cumplir con el procedimiento de elaboración y fijación de
las probetas y pasos para la realización de los ensayos, así como el tipo de máquina y
dispositivos en dependencia del mecanismo de desgaste principal. Por ejemplo [30] las
probetas de metales blandos hay que cortarlas con segueta, torno, fresadora y las de
material duro en rectificadora con disco abrasivo fino y enfriamiento adecuado. Los
dispositivos de fijación deben ser resistentes y cómodos.
Para la determinación del mecanismo de desgaste principal es necesario seguir los
siguientes pasos [30]:
1.-Caracterizar el proceso tecnológico de elaboración de las superficies en contacto.
2.- Determinar las propiedades físicas y mecánicas de las superficies en contacto.
3.- Características geométricas de las piezas.
28 4.- Conocer la microestructura de la capa superficial.
5.- Determinar el micro relieve de la superficie.
6.- Determinar micro dureza y la estructura de la superficie deformada (huella).
7.- Condiciones de trabajo (caracterización de la lubricación del par, presión
específica de trabajo, velocidad de deslizamiento, temperatura de las capas
superficiales).
8.- Tiempo de trabajo de las piezas.
9.- Características geométricas del desgaste.
10.- Características y tensiones residuales de la capa superficial desgastada.
11.- Micro relieve de la superficie desgastada.
La recuperación de piezas permite a las empresas disminuir la dependencia de
suministradores, aprovechar el recurso residual al agotarse su vida útil, reducir los
costos de reparación y mantenimiento, disminuir los consumos de energía, reducir
contaminación ambiental y alargar la vida útil de las piezas de repuesto [23].
1.6- Particularidades de la Norma ASTM G77 de ensayos de desgaste adhesivo
La Norma Internacional designada como ASTM G77-98 [28] establece el procedimiento
para ensayos de desgaste por fricción de materiales mediante determinadas
condiciones. Tiene además la particularidad de ser muy flexible en cuanto a los
materiales a comprobar, aunque las pruebas de laboratorio son propias para metales y
también es aplicable para disímiles condiciones de velocidad rotatoria, carga,
lubricantes, siempre en aras de simular lo mejor posible las circunstancias reales de
trabajo.
El resultado final de la prueba se mide con la pérdida en volumen en mm3 de las piezas
sometidas a ensayo
de desgaste, lo que requiere mediciones con exactitud
proporcional a las magnitudes a medir de la pérdida volumétrica como consecuencia
del desgaste y no por desprendimiento de material por deformación plástica, porque
falsea el resultado. Hay que tener en cuenta que hay ensayos que la pérdida
29 volumétrica es muy pequeña por ser material de alta resistencia al desgaste y se
dificulta realizar mediciones que den la verdadera magnitud.
Basado en la relación directa entre el volumen y el peso, teniendo en consideración las
condiciones reales en que se desarrolló este trabajo es preferible calcular la pérdida de
material por desgaste mediante el pesaje de las probetas antes y después del ensayo.
Las pérdidas de las probetas están en relación directa al tiempo y condiciones de los
ensayos y prácticamente nulos en el otro elemento del par, en correspondencia con las
propiedades del hierro fundido gris y el piñón (acero endurecido), requiriéndose por
tanto mediciones rigurosas y de gran exactitud.
El procedimiento debe garantizar fidelidad en la repetición de los ensayos en diferentes
probetas, en igualdad de condiciones, así como el cumplimiento de las exigencias en
materia de salud y protección, ya que la variedad de situaciones implica que se realicen
ensayos con personal, equipos y condiciones diferentes.
30 Capítulo 2: Materiales y Métodos
2.1- Introducción
La caracterización química, metalográfica y de comportamiento al desgaste brinda
suficiente información para la valoración de aplicación adecuada de las aleaciones en
una condición de trabajo específico frente a los fenómenos de desgaste. El
conocimiento de las características de las aleaciones permite las adecuadas
valoraciones para la fabricación de componentes y para su adecuada explotación con
vistas a la mayor eficiencia de la maquinaria y la mayor durabilidad de los
componentes.
2.2- Selección y extracción de las probetas
Para la caracterización preliminar fueron seleccionadas 11 barras cilíndricas de hierro
fundido, previamente obtenidas por aleación en cuchara y vertido en molde de arena
(figura 2.1) [31], las cuales fueron maquinadas en un torno 16 K20 en el taller de
maquinado de la Facultad de Ingeniería Mecánica.
Figura 2.1 Barras de hierro fundido obtenidas por aleación en cuchara y vertido en molde de arena.
Fueron extraídas probetas de 25mm de diámetro y 10mm de grosor de cada barra
(figura 2.2) para realizarle los diferentes análisis: metalográfico, químico, medición de
dureza, desgaste adhesivo y composición química (figura 2.2).
31 Figura 2.2 Probetas de hierro fundido extraídas de las barras.
2.3 Determinación de la composición química
Para la determinación de la composición química pueden usarse métodos tales como
emisión atómica (espectral), absorción atómica, vía húmeda, carbonimetría, rayos-X,
entre otros. En este caso el análisis químico se realizó mediante emisión atómica
(espectral), en un equipo Spectrolab (figura 2.3), en los laboratorios de la Empresa
¨Román Roca¨ en la provincia de Villa Clara.
Figura 2.3 Equipo de análisis espectral (Spectrolab) equipo de Planta Mecánica de la fundición
¨Román Roca¨.
32 Figura 2.4 Detalle del portamuestra del equipo espectral.
2.4- Análisis metalográfico
Para realizar la caracterización metalográfica se empleó el Microscopio metalográfico
marca NOVEL, modelo NJF-120A (figura 2.5) del laboratorio de metalografía del centro
de investigación de soldadura, siguiendo el procedimiento establecido en el mismo para
estos análisis [32].
Figura 2.5 Microscópio metalográfico marca NOVEL.
En esta caracterización de las muestras se tuvieron en cuenta varios pasos que se
nombran a continuación:
9 Limpieza de las probetas
9 Corte de las probetas
33 9 Desbaste de las probetas con lijas de agua para garantizar un mejor acabado
9 Pulido espejo de las probetas
9 Conteo puntual de grafito
9 Determinación de la microdureza ó dureza Vickers
9 Determinación de la dureza Brinell (HB)
En la preparación las muestras se desbastaron con papel de lija con grano desde la
100 hasta la 800 y luego en la pulidora con un paño y pastas abrasivas para pulir a
espejo.
Luego de pulidas las muestras fueron atacadas para el revelado de la estructura y la
observación en el microscopio. El ataque de las superficies pulidas de las fundiciones
se realizó con una solución de nital al 1% (disolución de ácido nítrico en alcohol),
garantizando un buen revelado de la microestructura.
Las imágenes fueron registradas por medio de una cámara digital marca Canon,
modelo A630, resolución 8 MPíxel, acoplada al microscopio.
Para el conteo del por ciento de grafito se utilizaron dos métodos, uno según el patrón
de la norma y el otro por el método puntual donde se le realizo el conteo a 10 campos
por probetas y posteriormente se le hayo el promedio. Para esto se tuvo en cuenta las
normas que tienen estandarizado un sistema de clasificación A-247 de la ASTM y el
establecido por la ISO 945-75, estos sistemas concuerdan entre sí. Esta clasificación
es según la norma Gost 3443-87 que fue la utilizada en este caso [33, 34].
De acuerdo a la distribución del grafito se puede clasificar en:
(Uniformemente distribuido)
(Puntual interdendrítico)
(Laminar Interdendrítico)
(No uniforme)
(Rosetas)
De acuerdo al tamaño el grafito puede clasificarse en:
Mayor de 1000 µm (No.1)
De 60 a 120 µm (No.5)
34 De 500 a 1000 µm (No.2)
De 30 a 60 µm (No.6)
De 250 a 500 µm (No.3)
De 15 a 30 µm (Nº.7)
De 120 a 250 µm (No.4)
Menos de 15 µm (Nº.8)
La determinación de la cantidad de grafito en una muestra se realiza en un microscopio
metalográfico con aumento de 100X, en el cual se le inserta en el ocular una rejilla, se
cuentan las intersecciones de las líneas verticales y horizontales (N) y se cuentan los
nodos donde aparece una inclusión de grafito (n), se determina el % de grafito
mediante la siguiente relación: % Grafito = (∑int. de los campos/478)*100 [33]
Cantidad de grafito expresado en %:
Hasta 3%
Entre 8 y 12 %
Entre 3 y 5%
Mayor de12%
Entre 5 y 8%
2.5 - Medición de microdureza y la dureza
A cada una de las probetas de las diferentes aleaciones se le midió la microdureza de
las fases (dureza Vickers, esta se hizo no menos de 5 por fases). La microdureza se
realizó con el microdurómetro Shimadzu (figura 2.6) en el laboratorio de metalografía
del CIS. La carga aplicada fue de 300 g.
Figura 2.6 Microdurómetro Shimatzu.
35 Dureza Brinell
La macrodureza o dureza brinell se determinó en el laboratorio perteneciente a la
empresa Román Roca. Para esta se utilizó una bola de diámetro igual a 10 mm y una
fuerza de 3000 Kg ó 29 420 N.
2.6 - Ensayos de desgaste y determinación del desgaste relativo
Para la realización de los ensayos de desgaste se definió en el Capítulo I la preferencia
de la Norma ASTM G77 [28], donde uno de los ensayos se basa en el desplazamiento
relativo y fricción de un bloque de ensayo sobre un
anillo (Figuras 2.7 y 2.8),
desgastándose ambos durante el ensayo bajo determinadas cargas o esfuerzos y otros
parámetros, de manera que se simule con determinada aproximación las condiciones
en que ocurre el desgaste durante la explotación.
Figura 2.7 Representación del ensayo según la norma ASTM G77.
1, Indicador de la carga de fricción; 2, Bloque de ensayo; 3, Carga aplicada; 4, Aro del par de ensayo; 5,
sentido de rotación; 6, Dirección y sentido de la fuerza de fricción generada; 7, Celda registradora de la
fuerza de fricción.
Figura 2.8 Esquema del bloque y del anillo para el ensayo según la norma ASTM G77.
36 La norma brinda determinada flexibilidad en los parámetros de los dos elementos para
ajustarse a las características del equipo o máquina existente, así como, en los
parámetros o requisitos de ensayo, como velocidad, sustancia o sustancias (aceites,
partículas, etc.), los que pueden ser ajustados o seleccionados según los
requerimientos para que el dispositivo permita su uso montado sobre un torno universal
o banco de ensayo universal, además que se pueda ensayar una amplia gama de
materiales, particularmente para medir o determinar desgastes relativos.
Es requisito, cuando se hacen ensayos para determinar resistencia al desgaste relativo,
que todos los elementos (bloques y anillos), así como el régimen y duración del
ensayo, sean iguales.
Se utilizó para la colocación de la probeta un dispositivo diseñado previamente en
trabajos anteriores, con suficiente rigidez, fácil de manipular en su montaje, desmontaje
y ajuste, ver Figura 2.9. Este dispositivo se monta a través de la zona de fijación en el
portaherramientas del torno.
Figura 2.9 Dispositivo porta probeta.
1, Tuerca de fijación; 2, Tuerca de regulación; 3, Cuerpo soporte; 4, Arandelas tope;
5, Muelle de carga; 6, Eje; 7, Portamuestra; 8, Tornillo de fijación de la probeta;
9, Tornillo de fijación del portamuestra; 10, Zona de fijación del dispositivo.
La carga seleccionada para aplicar en el ensayo, se fija primeramente en el dispositivo
comprimiendo el muelle mediante la tuerca de regulación y la de fijación (Figura 2.10),
hasta el desplazamiento que corresponde a dicha carga, medido con un reloj indicador
de carátula con apreciación de 0,01mm.
37 Figura 2.10 Montaje del dispositivo.
Para el otro elemento del par se utilizó la pista exterior de un rodamiento (en este caso
es una caja de bolas 203) que es de acero endurecido montado sobre el dispositivo
portador, Figura 2.11, concebido para su colocación en torno convencional entre
centros, con el rodamiento fijo en la pista exterior e interior, que gira durante el ensayo
mediante un perro de arrastre.
Figura 2.11 Dispositivo porta anillo.
1, Tuerca de apriete; 2, Arandelas de fijación; 3, Eje; 4, Anillo de fricción.
2.6.1- Preparación de la muestra para el pesaje antes y después del ensayo
Posterior al pulido de las superficies a ensayar en cada probeta se procede a la
limpieza rigurosa para eliminar todo vestigio de adherencia y suciedad. A continuación
se realizó el secado con calor en estufa. Se evitó la limpieza y secado con telas porque
incorpora partículas a la superficie que altera el valor real de la masa al pesar. A partir
de entonces se guardaron en recipiente cerrado y la manipulación de las probetas se
realizó mediante pinzas para evitar contaminación. Estas precauciones son necesarias
ante la exactitud del pesaje en la balanza de precisión Sartorius que alcanza 10-4
38 gramos que se muestra en la Figura 2.12, que se hizo después de que las probetas
alcanzaran la temperatura ambiente.
Figura 2.12 Balanza de precisión Sartorius.
2.6.2- Condiciones establecidas para los ensayos de desgaste
Ensayo de desgaste adhesivo con lubricante contaminado
1.- Un recipiente con aproximadamente 8 cm3 de lubricante (Multi-A), mezclado con 3 g
de arena sílice como sustancia abrasiva, se coloca de forma que el anillo de acero al
girar penetre dentro del aceite y arrastre a este con la arena.
2.- Se aplicará un tiempo de ensayo de 20 minutos con una carga de 10 Kg a 245 rpm,
recorriendo la pista una distancia de 615.8 m sobre el bloque (el recorrido mostrado se
obtuvo como L= w*t*P, donde (L) es el recorrido en (m), (w) la velocidad angular (rpm),
(t) el tiempo de ensayo en min y (P) es el perímetro de la pista de contacto con la
probeta en (m)).
Ensayo de desgaste adhesivo con lubricante sin contaminar
Se aplicó el mismo procedimiento del ensayo anterior, pero esta vez sin la utilización
de arena sílice.
39 Capítulo 3: Resultados y análisis
3.1- Análisis químico
En la tabla 3.1 se muestran los resultados del análisis químico para los elementos
principales de las diferentes probetas.
Tabla 3.1 Composición química de las aleaciones, % masa.
Aleación
C
Si
Mn
Cu
Cr
Ni
S
P
1
3.67
2.48
1.12
2.59
0.13
0.10
0.010
0.15
2
3.77
2.67
0.44
1.29
0.16
0.10
0.010
0.17
3
4.26
2.07
0.43
0.51
0.098
0.008
0.11
4
3.87
2.03
1.03
0.76
0.13
0.089
0.008
0.064
5
3.94
2.60
0.45
1.07
0.13
0.091
0.010
0.055
6
5.40
2.81
1.06
0.92
0.19
0.065
0.006
0.08
7
4.20
2.15
1.02
2.22
0.14
0.099
0.008
0.19
8
4.38
2.54
1.05
1.83
0.14
0.094
0.006
0.095
9
4.21
2.47
0.95
1.31
0.14
0.10
0.008
0.11
10
4.25
2.61
1.11
1.83
0.14
0.10
0.007
0.027
11
4.21
2.47
1.15
1.96
0.14
0.10
0.007
0.18
0.14
De la observación de la tabla 3.1 queda claro que la presencia de relativamente altos
contenidos de cobre hace un efecto grafitizante que puede favorecer las propiedades
antifricción.
La presencia de cromo y manganeso en las aleaciones aumenta su resistencia al
desgaste y su dureza, fijando la matriz perlítica. El hecho que el manganeso, al igual
40 que el cromo sean formadores de carburos, sus contenidos por encima de
determinados valores puede llevar a la formación de estos compuestos y con ello a la
disminución de las inclusiones de grafito, pero en los niveles que aparecen no existe
posibilidad alguna de tal efecto.
3.2- Análisis metalográfico
En las figuras 3.1 - 3.11 y tabla 3.2 se advierte la presencia de grafito laminar recto con
una distribución uniforme y de tamaño de 60 a 120 µm en todas las aleaciones. Solo la
aleación 2 muestra el por ciento de grafito ligeramente superior al resto. O sea que en
sentido general no se advierten diferencias marcadamente visibles entre las aleaciones
estudiadas, lo cual hace evidente que la composición química, en los rangos
evaluados, no imprime modificaciones desde el punto de vista del tipo y distribución de
las inclusiones de grafito.
Tabla 3.2 Resultados de la caracterización metalográfica.
Aleación
Tipo
Forma
Tamaño (µm)
Distrib.
% grafito
1
Laminar
Recta
60-120
Uniforme
de 5-8
2
Laminar
Recta
60-120
Uniforme
de 8-12
3
Laminar
Recta
60-120
Uniforme
de 5-8
4
Laminar
Recta
60-120
Uniforme
de 5-8
5
Laminar
Recta
60-120
Uniforme
de 5-8
6
Laminar
Recta
60-120
Uniforme
de 5-8
7
Laminar
Recta
60-120
Uniforme
de 5-8
8
Laminar
Recta
60-120
Uniforme
de 5-8
9
Laminar
Recta
60-120
Uniforme
de 5-8
10
Laminar
Recta
60-120
Uniforme
de 5-8
11
Laminar
Recta
60-120
Uniforme
de 5-8
41 Fotos estructura metalográfica
Figura 3.1 Estructura metalográfica de la probeta 1(100X y 500X).
Figura 3.2 Estructura metalográfica de la probeta 2 (100X y 500X).
42 Figura 3.3 Estructura metalográfica de la probeta 3 (100X y 500X).
Figura 3.4 Estructura metalográfica de la probeta 4 (100X y 500X).
43 Figura 3.5 Estructura metalográfica de la probeta 5 (100X y 500X).
Figura 3.6 Estructura metalográfica de la probeta 6 (100X y 500X).
44 Figura 3.7 Estructura metalográfica de la probeta 7 (100X y 500X).
Figura 3.8 Estructura metalográfica de la probeta 8 (100X y 500X).
45 Figura 3.9 Estructura metalográfica de la probeta 9 (100X y 500X).
Figura 3.10 Estructura metalográfica de la probeta 10 (100X y 500X).
46 Figura 3.11 Estructura metalográfica de la probeta 11(100X y 500X).
En todos los casos se hace visible la presencia de una matriz perlítica, la cual junto a la
presencia de inclusiones de grafito brinda excelentes propiedades de resistencia al
desgaste adhesivo en pares de deslizamiento con acero.
3.3- Análisis de dureza
Los valores de microdureza de la matriz y de dureza de cada una de las aleaciones se
muestran en la tabla 3.3. Desde el punto de vista de la microdureza de la matriz todas
las aleaciones son similares. Desde el punto de vista de la dureza en la figura 3.12 se
observa una dependencia de carácter creciente con el contenido de Cu. Ello que en un
primer análisis es contradictorio por el efecto grafitizante del cobre en la solidificación
primaria, se explica a partir del hecho que este favorece la estabilización de la perlita
en la matriz, ya que disminuye la temperatura eutectoide y como se sabe la
responsable del aumento de la dureza en una fundición gris es la matriz perlítica. Lo
anterior se manifiesta en la figura 3.13 donde se observa una cierta tendencia de
aumento de la microdureza de la matriz con el aumento del contenido de cobre. Todo lo
planteado se corresponde con lo abordado en el capítulo I, donde se declara que para
valores de cobre inferiores a 3 % en fundiciones grises, todo incremento del cobre
conduce a un aumento de la dureza.
47 Tabla 3.3 Valores de microdureza (Hv300) y dureza (HB) de las aleaciones.
Microdureza (Hv)
1
2
3
4
5
Promedio
Desviación
estándar
1
369,5
358,4
310,9
353
347,7
347,9
22,2
2
287,4
347,7
335
344,2
326,2
328,1
24,2
3
308
319,9
347,7
340,8
332,6
329,8
16
4
362
291,3
363,9
381,2
316,9
343,1
37,5
5
283,5
330,9
363,9
347,7
342,5
333,7
30,5
6
375,3
306,6
313,9
363,9
318,4
335,6
31,6
7
330,9
363,8
413
318,4
347,7
354,8
36,8
8
375,3
356,6
397,7
327,7
375,3
366,5
26,1
9
395,6
302,3
367,6
393,5
314,4
354,7
43,9
10
362,6
363,9
375,3
340,8
337,5
356
16,2
11
321,5
375,3
298,1
342,5
391,4
345,8
38,2
aleación
Dureza
(HB)
229
207
197
207
207
179
235
217
229
229
229
48 Figura 3.12 Gráfica de dureza contra por ciento de cobre
Figura 3.13 Gráfica de microdureza contra por ciento de cobre
49 3.4- Análisis de desgaste
En la tabla 3.4 se observan los resultados de ensayos de desgaste con lubricante
contaminado. A primera observación se advierten diferencias en la pérdida de masa
entre las aleaciones. Las aleaciones 8, 9, 10 y 11 experimentan la mayor pérdida de
masa, siendo la 4 y la 6 las de menores pérdidas de masa (mayor resistencia al
desgaste). Por su parte, la tabla 3.5 muestra los resultados de ensayos de desgaste
con lubricante sin contaminar. En este caso, se advierten menores diferencias en la
pérdida de masa entre las aleaciones. No obstante, las aleaciones 9, 1, 2, 7 y 11
experimentan la mayor pérdida de masa, siendo la 4 y la 6 las de menores pérdidas de
masa (mayor resistencia al desgaste). O sea que en ambos casos la mayor resistencia
al desgaste corresponde a las aleaciones 4 y 6.
Tabla 3.4 Valores de pérdida de masa alcanzados con lubricante contaminado.
Aleación
Masa
inicial
(g)
Masa
final
(g)
Carga
administrada
(kg)
Pérdida
de masa
en (g)
K
1
7.4726
7.4628
10
0.0098
5,2848E-05
2
7.4998
7.4932
10 0.0066
3,2172E-05
3
7.2491
7.2393
10 0.0098
4,5463E-05
4
7.0158
7.0123
10 0.0035
5
7.3384
7.3315
10 0.0069
3,3634E-05
6
6.919
6.9142
10 0.0048
2,0233E-05
7
7.4206
7.4133
10 0.0073
4,0398E-05
8
7.5617
7.547
10 0.0147
7,5118E-05
9
7.7533
7.7431
10 0.0102
5,5005E-05
10
7.1249
7.1136
10 0.0113
6,0937E-05
11
7.4526
7.4393
10 0.0133
7,1722E-05
1,7061E-05
50 Tabla 3.5 Valores de pérdida de masa alcanzados con lubricante sin contaminar.
Aleación
1
Masa
inicial
(g)
7.2431
Masa
final
(g)
7,2403
Carga
administrada
(kg)
10
Pérdida
de masa
en (g)
0,0028
1,5099E-05
2
7.3434
7,3405
10
0,0029
1,4136E-05
3
7.1177
7,1151
10
0,0026
1,2062E-05
4
6.8206
6,8184
10
0,0022
1,0724E-05
5
7.1992
7,1965
10
0,0027
1,3161E-05
6
6.8243
6,8219
10
0,0024
1,0116E-05
7
7.3467
7,3438
10
0,0029
1,6048E-05
8
7.3104
7,3078
10
0,0026
1,3286E-05
9
7.6647
7,6615
10
0,0032
1,7256E-05
10
7.0300
7,0273
10
0,0027
1,456E-05
11
7.3406
7,3377
10
0,0029
1,5639E-05
K
En las figura 3.14 y 3.15 se muestra el comportamiento de la pérdida de masa en
función del contenido de cobre, ensayado con aceite contaminado (con partículas
abrasivas) y sin contaminar. En la figura 3.14 se hace visible una cierta tendencia a
aumentar el desgaste con el aumento
del contenido de Cu. Ello a su vez es
contradictorio con lo mostrado en la figura 3.12 y 3.13, donde el cobre hace crecer la
dureza y microdureza de la matriz (es clásicamente adoptado que el aumento de la
dureza hace disminuir el coeficiente de fricción y consecuentemente el desgaste,
V=k(W*L/HB)), donde (K) es el coeficiente de desgaste, (L) es el recorrido en (m), (W)
la carga aplicada en (kgf) y (HB) la dureza Brinell. Ya para el caso del ensayo sin
contaminación del lubricante (figura 3.15), la pérdida de masa varío en un entorno de
valores, con tendencia constante.
51 El hecho que el desgaste aumente con el aumento del contenido de cobre en el caso
de la figura 3.14 se puede vincular a la presencia de partículas abrasivas dentro del
lubricante que hacen que opere el desgaste abrasivo, junto al adhesivo.
Toda vez que en el caso del desgaste con aceite sin contaminar también manifiesta
ciertas variaciones es probable que esté operando en ambos casos el efecto del
régimen de lubricación: una carga relativamente baja, junto a una considerable
velocidad angular puede haber aumentado la presión hidrodinámica de la cuña de
lubricante haciendo que se pase a un estado de lubricación elastohidrodinámica que
reduce los contactos de las asperezas en comparación a la lubricación límite y
consecuentemente las superficies no entran en contacto. Esto permite concluir que
debe ser realizado un estudio posterior que considere el efecto de los parámetros de
ensayo (velocidad, carga y recorrido) y que se realice una valoración comparativa con
un ensayo sin lubricación. Este último podría también ser cumplimentado con la
determinación del coeficiente de fricción que obviamente se vincula al desgaste y las
pérdidas energéticas.
En el capítulo I fue abordada en detalle la influencia de los elementos de aleación. Es
evidente que los efectos son altamente complejos y que no se pueden ver de forma
aislada, sino como un sistema. En el caso particular del cobre puede tener múltiples
efectos simultáneos. De una parte es grafitizante en la solidificación, de otra es
estabilizador de la perlita en la transformación eutectoide y al mismo tiempo su
solubilidad es limitada a solo 0,35 %. De ello se hace evidente que en todas las
aleaciones obtenidas se ha superado el límite de solubilidad (tabla 3.1) y es probable
que el cobre haya segregado como fase independiente. Esto último, no detectado en la
caracterización realizada, podría ser también objeto de estudios posteriores.
52 Figura 3.14 Gráfica de pérdida de masa en función del por ciento de cobre (lubricante contaminado).
Figura 3.15 Gráfica de pérdida de masa en función por ciento de cobre (lubricante sin contaminar)
Con el propósito de visualizar mejor la comparación, en la figura 3.16 se muestra el
comportamiento de la pérdida de masa en función del contenido de cobre para las dos
condiciones de ensayo, con lubricante contaminado y sin contaminar. Se advierte que
en el caso del ensayo con lubricante contaminado el crecimiento de la pérdida de masa
53 es favorecido por el aumento del cobre en todo el rango de composición evaluado. En
cambio, para el ensayo con lubricante sin contaminar el comportamiento es
relativamente estable frente al contenido de cobre. Esto podría ser atribuible, como ya
lo hemos referido, a que el cobre de un lado favorece la formación de grafito, a que del
otro estabiliza la perlita y de otro su solubilidad es limitada y puede influir también como
fase independiente.
Figura 3.16. Comparación del comportamiento al desgaste en función del contenido de cobre en
las condiciones de lubricación contaminada y sin contaminar.
En base a la relación de la pérdida de volumen (V), (V= m/ρ, donde (m) es la pérdida
de masa en g y (ρ) es la densidad de la aleación ensayada (6.9 g/cm3)) con la carga, el
recorrido y la dureza se ha determinado el coeficiente de desgaste para cada una de
las aleaciones, cuyo valor se reporta en la tabla 3.4 y 3.5 para cada uno de los
ensayos. Este coeficiente es una propiedad del material que refleja su comportamiento
al desgaste, siendo que los menores valores favorecen el desempeño de la aleación.
De este modo, las aleaciones 4 y 6 con menores coeficientes de desgaste (1,7061E-05
54 y 2,0233E-05 para la lubricación contaminada y 1,0724E-05 y 1,0116E-05 para la
lubricación sin contaminar) son las aleaciones de mejor desempeño frente al desgaste
adhesivo. El hecho que coincidan las aleaciones 4 y 6 como las mejores en las dos
condiciones ensayadas da criterio de que bajo las condiciones reales de cojinetes de
deslizamiento tendrán el mejor desempeño durante toda su vida útil, inclusive luego de
determinado nivel de desgaste. 55 CONCLUSIONES GENERALES 1. Existen diferencias significativas en la composición, siendo la mayor entre los
contenidos de Cu y Mn. Estas diferencias no imprimen cambios notables en la
microestructura, siendo en todos los casos matriz perlítica con grafito laminar
recto de distribución uniforme y con por cientos similares de inclusiones de
grafito.
2. La dureza y microdureza tiende a crecer con el contenido de Cu, a causa del
efecto de este elemento sobre la matriz como estabilizador de la perlita, pese a
su efecto grafitizante durante la cristalización.
3. El desgaste tiende a aumentar con el aumento del contenido de cobre y
consecuentemente en el sentido de aumento de la dureza en el ensayo con
lubricante contaminado, lo cual podría estar asociado a la presencia de desgaste
abrasivo junto al adhesivo. Ya para el caso del ensayo con lubricante sin
contaminar la pérdida de masa no varía prácticamente con el aumento del cobre,
lo cual se atribuye al efecto multivariado del cobre como grafitizante,
estabilizador de la perlita y su baja solubilidad, junto al efecto sinérgico de otros
elementos.
4. Desde el punto de vista de resistencia al desgaste, las aleaciones que mejor
responden a las condiciones ensayadas son la 4 y la 6 y por tanto, son las
recomendadas para la fabricación de cojinetes de deslizamiento en pares con
acero. Estas presentan un coeficiente de desgaste de 1,7061E-05 y 2,0233E-05
para la lubricación contaminada y 1,0724E-05 y 1,0116E-05 para la lubricación
sin contaminar.
56 RECOMENDACIONES 1. Realizar un estudio posterior que considere: variaciones de carga, de velocidad
y de recorrido; así como la ausencia de lubricante para establecer criterios más
acertados de comparación de desempeño.
2. Determinar experimentalmente la densidad y el coeficiente de fricción de las
aleaciones para realizar el análisis de desgaste volumétrico con un mayor rigor
científico.
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