Avance 17-O del programa doctoral Ciencias e Ingeniería ... · afilada sobre los materiales...

Avance 17-O del programa doctoral

Ciencias e Ingeniería (de Materiales)

Estudio experimental y numérico del desgaste en un acero

AISI L6 con recubrimientos duros.

Doctorante: Daniel Sánchez Huerta

Asesor interno: Isaías Hilerio Cruz

Asesor externo: Noé López Perrusquia

Contenido

• Proyecto de investigación

• Cronograma 17-O

• Objetivos e hipótesis

• Introducción

• Método experimental

• Resultados

• Conclusiones

• Agradecimientos

keV

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00

Co

un

ts[x

1.E

+3

]

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

001

B

Mo

C

B

V

Cr

V

Mn

Cr

Fe

Mn

Co

Fe

Ni

Co

Ni

Si P

Mo

Mo

S

S

FeKesc

VCr

V

Mn

Cr

Fe

Mn

Co

Fe

Ni

Co

Ni

keV

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00

Co

un

ts[x

1.E

+3

]

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

001

B

Mo

C

B

V

Cr

V

Mn

Cr

Fe

Mn

Co

Fe

Ni

Co

Ni

Si P

Mo

Mo

S

S

FeKesc

VCr

V

Mn

Cr

Fe

Mn

Co

Fe

Ni

Co

Ni

Proyecto de investigación

Cronograma 17-O

Objetivos e Hipótesis

Introducción

Método Experimental

Resultados

Conclusiones

Agradecimientos

Hipótesis 17-O

Se obtendrá un desgaste mayor en el aumento de carga, así mismo aumentara la perdida de

material al crecer la concentración de material abrasivo.

Objetivo general 17-O

Obtener un desgaste en un acero AISI L6, mediante ensayos de desgaste tres cuerpos, y así

poder caracterizar el comportamiento en la perdida de material para determinar la influencia

del contacto hertziano durante el ensayo tribológico.


Cronograma 17-O


Introducción


Resultados

Conclusiones

Agradecimientos

Para un periodo de hasta

treinta años, al modificar y

optimizar la superficie de los

materiales, así como mejorar

la resistencia al desgaste; la

reducción de CO2 puede ser

de 3.140 millones de

toneladas y tener un ahorro

de hasta 970,000 millones de

Euros, K. Holmberg et al. (2017).

Beneficios energéticos de

10,000,000 galones

(13,472,000 TJ/año) para un

lapso de 15 a 20 años solo por

una adecuada optimización

mecánica; al modificar el CoF

(Coeficiente de Fricción) se

estima un ahorro de 2,000

millones de euros, y en

electricidad de 36,000 GWh,

LEHIGH, University (2015) .

dejando de emitir 10.6

millones de toneladas de CO2

para un periodo de 10 años

para países industrializados, a

nivel global el impacto del

coeficiente de fricción y el

desgaste impacta con una

emisión de 1.460 millones de

toneladas de CO2 con un

costos de 450,000 millones de

euros a corto plazo. Renteria et

al. (2015)


Cronograma 17-O


Introducción


Resultados

Conclusiones

Agradecimientos 1

Adhesivo

Abrasivo

Erosivo

Químico

Fatiga

Pin on Disc

Fretting

Scratch

Ball cratering

Rueda vulcanizada

Ball cratering o cráter de bola:

Primer técnica de abrasión fue

Mikhail Lomonosov (1745 a 1765)

que consistió en girar una piedra

afilada sobre los materiales

Brinell (1921) optimizo el mecanismo

al cambiar la piedra por una rueda de

acero duro.

Haworth (1949) refino el mecanismo

al agregar goma a la rueda.

Grodzinski realizo la primer prueba

de micro abrasión o ball cratering, con

una bola de acero fundido de 1

pulgada de diámetro y aplicando

diamante como material abrasivo.

Desgaste

K.L. Rutherford et al. (1997); Bowden y Tabor (1973)


Cronograma 17-O


Introducción


Resultados

Conclusiones

Agradecimientos 2

Contacto Hertziano o Presión de Contacto


Cronograma 17-O


Introducción


Resultados

Conclusiones

Agradecimientos

DinámicoEstático

Ball cratering Ball on disc - reciprocanteEsfera sobre esfera Esfera sobre plano Esfera sobre copa

Cilindro sobre cilindro Cilindro sobre Plano Cilindro dentro de cilindro

Y. Kayali et al. (2011), Ibrahim Gunes et al. (2016),

A.P. Krelling et al. (2017)

3


Cronograma 17-O


Introducción


Resultados

Conclusiones

Agradecimientos

Se realizaron los tratamientos a de boro a tres

temperaturas y tres tiempos de incubación.

Se caracteriza la capa por MEB, EDS, nanoindentación y

DRX, así mismo se establece el Coeficiente de difusión,

teniendo capas de 27 a 180 µm con una morfología

aserrada.

Se realizan ensayos de ball on disc, evidenciando el

coeficiente de fricción que se encuentra en un rango de

0.49 a 0.62, se estudia la rugosidad Ra de 0.352 a 0.965

µm, se caracterizan las huellas por MEB, MO,

Perfilómetro Óptica y se modifica un modelo

matemático para predecir el desgaste para asperezas.

4

Preparación de

muestras

Limpieza de

superficie

RugosidadCaracterización PO,

MEB y Software de

imagen.

Análisis

2N

5N

Ball Cratering en

seco y 10, 40 y 80 g

de SiC

40, 80, 160 y

240 m


Cronograma 17-O


Introducción


Resultados

Conclusiones

Agradecimientos 5

Solo material base, no se presentan resultados de los recubrimientos


Cronograma 17-O


Introducción


Resultados

Conclusiones

Agradecimientos 6

Material Base a 2N de carga con

condiciones en seco, a) 40, b)80,

c)160 y d)240 m, flecha roja indica

la oxidación, flecha verde indica el

desgaste de dos cuerpos.


Cronograma 17-O


Introducción


Resultados

Conclusiones

Agradecimientos

500 µm 500 µm

500 µm 500 µm

7

Material Base a 5N de carga con

condiciones en seco, a) 40, b)80,

c)160 y d)240 m, flecha roja indica

la oxidación, flecha verde indica el

desgaste de dos cuerpos.


Cronograma 17-O


Introducción


Resultados

Conclusiones

Agradecimientos

500 µm

500 µm

500 µm

500 µm

8

EDS de muestra en seco, se evidencia la presencia de óxido, a) perfil cualitativo de la

concentración de oxígeno, b) zona de análisis, c) mapa de oxígeno, d) mapa del hierro.


Cronograma 17-O


Introducción


Resultados

Conclusiones

Agradecimientos

Mecanismo de desgaste adhesivo,

flecha verde indica las marcas de

arado, flecha roja muestra material

adherido.

Oxigeno Hierro

50 µm

100 µm

9

Cráteres de desgaste para el material base a 2N de carga con 10 gr de SiC, a) 40, b) 80, c) 160 y d)

240 m, flechas blancas indican la banda de material a desgaste de dos cuerpos.


Cronograma 17-O


Introducción


Resultados

Conclusiones

Agradecimientos

500 µm 500 µm

500 µm 1 mm

10

Cráteres de desgaste para el material base a 5N de carga con 10 gr de SiC, a) 40, b) 80, c) 160

y d) 240 m, flechas blancas indican la banda de material a desgaste de dos cuerpos.


Cronograma 17-O


Introducción


Resultados

Conclusiones

Agradecimientos

500 µm 500 µm

500 µm 1 mm

11


y d) 240 m, flechas blancas indican la banda de material a desgaste de dos cuerpos.


Cronograma 17-O


Introducción


Resultados

Conclusiones

Agradecimientos

500 µm 500 µm

500 µm 1 mm

??

?

12


y d) 240 m.


Cronograma 17-O


Introducción


Resultados

Conclusiones

Agradecimientos

500 µm 500 µm

500 µm 1 mm

13


y d) 240 m, no existe la banda media.


Cronograma 17-O


Introducción


Resultados

Conclusiones

Agradecimientos

500 µm500 µm

1 mm 1 mm

14


y d) 240 m, no existe la banda media.


Cronograma 17-O


Introducción


Resultados

Conclusiones

Agradecimientos

500 µm 500 µm

500 µm 1 mm

15

Morfología del cráter a 160 m de deslizamiento con 80 g de

SiC con una carga de 5N, a) imagen con filtro de electrones

secundarios, b) imagen con filtro de electrones retro

dispersados con topo, c) perfil que evidencia la presencia de

Si y d) análisis cualitativo de la ubicación en la concentración

de Si.

a) b) c)

d)


Cronograma 17-O


Introducción


Resultados

Conclusiones

Agradecimientos 16

a) b)

d)


Cronograma 17-O


Introducción


Resultados

Conclusiones

Agradecimientos

Huella con un deslizamiento de 240

m, 10 g de SiC y una carga de 2N,

morfología de picadura por el

desgaste de rodadura.

Mecanismo de desgaste

17

Comportamiento del diámetro del cráter

para concentraciones de material abrasivo de

a) 10, b) 40 y c) 80 g de SiC.


Cronograma 17-O


Introducción


Resultados

Conclusiones

Agradecimientos

a) b)

c)

18

Diámetro en un

rango de 0.7 a 3 mm

para todo el estudio

Comportamiento de la profundidad de

desgaste por concentración de SiC, a) 10, b)

40 y c) 80 g


Cronograma 17-O


Introducción


Resultados

Conclusiones

Agradecimientos

a) b)

c)

19

Profundidad en un

rango de 3 a 90 µm

para todo el estudio

Comportamiento del volumen de desgaste

por concentración de SiC, a) 10, b) 40 y c)

80 g.


Cronograma 17-O


Introducción


Resultados

Conclusiones

Agradecimientos

a) b)

c)

20

Desgaste en un rango

de 0.0005 a 0.22 mm³

para este estudio.

Comportamiento del volumen y presión de contacto en otras investigaciones


Cronograma 17-O


Introducción


Resultados

Conclusiones

Agradecimientos 21

L.M. Vilhena et al. (2016), estudia el desgaste en un recubrimiento de

carburo de tungsteno en un acero AISI 304, atribuye la banda

media a la alta presión de contacto pero sus estudios están realizados

a una carga con un deslizamiento máximo de 8 metros.

F. Fernandes et al. (2012) presenta un

comportamiento parecido al de este trabajo,

encuentran a banda media y tienen un desgaste

mayor a menores cargas, cambian el volumen del

material abrasivo para una experimentación de un

recubrimiento de Níquel en un acero gris, para

cargas bajas en un deslizamiento de hasta 15 metros

Tasa de desgaste por carga, a) 2N y b) 5N


Cronograma 17-O


Introducción


Resultados

Conclusiones

Agradecimientos

a) b)

22

Tasa de desgaste por carga, a) 2N y b) 5N


Cronograma 17-O


Introducción


Resultados

Conclusiones

Agradecimientos

Huella que no presenta la banda media pero

por ser de bajos ciclos cierta cantidad de

desgaste es dependiente a la banda media.

Tasas de desgaste de huellas que presentan la

banda media.

Dónde: S es la distancia total del

deslizamiento de la esfera respecto a la

muestra; N es la fuerza normal entre la esfera

y la muestra; V es el volumen desgastado en

la muestra; K es el coeficiente de desgaste; R

es el radio de la esfera y b es el diámetro

externo del cráter que se formó en la muestra.A. Ramalho (2017)

23

Huellas de desgaste representativas

en el ensayo de ball cratering, a) 40,

b) 80, c) 160 y d) 240 m con carga

de 2 N


Cronograma 17-O


Introducción


Resultados

Conclusiones

Agradecimientos 24

Conclusiones

Se tendrá un desgaste dependiente del contacto hertziano y el tamaño de la banda media.

Existen dos fenómenos de desgaste, desgaste abrasivo y adhesivo, para la parte media se

tiene un desgaste adhesivo, para la parte alrededor de la banda media se tiene un desgaste

abrasivo de dos y tres cuerpos para todas las huellas de cráter.

El desgaste será menor con la presencia de la banda media a cargas altas comparado a

cargas bajas, en la posterior eliminación de la banda media se tendrá un desgaste

dependiente de la carga.

A mayor concentración de SiC se tendrá un mayor desgaste por el aumento de las

interacciones de las partículas.


Cronograma 17-O


Introducción


Resultados

Conclusiones

Agradecimientos 25

En este estudio se observa la forma de desgaste de la banda media de las huellas de cráter,

hasta el momento no se había estudiado o establecido en experimentaciones por ball

cratering.

Por ultimo, se establece que el contacto hertziano afectara el tipo de desgaste, afectando la

tasa de desgaste, teniendo una presión de contacto de 265 MPa para 2 N de carga y de 368

MPa para la carga de 5N.


Cronograma 17-O


Introducción


Resultados

Conclusiones

Agradecimientos 26

Agradecimientos

Se agradece al Dr. Ernesto David García Bustos y al Dr. Martin Flores Martínez de la U.

de G. por permitirme utilizar los equipos de ball cratering y ball on disc, al Dr. Stephen Muhl

Saunders del IIM de la UNAM por apoyarme con el perfilómetro óptico, al Mtro. Víctor

Jorge Cortes Suarez del área de materiales y metalurgia de la UAM por la disponibilidad y

apoyo para utilizar los equipos, a la Dra. Dulce Viridiana Melo Máximo del Tecnológico de

Monterrey por permitirme utilizar el MEB y equipo de rugosidad.


Cronograma 17-O


Introducción


Resultados

Conclusiones

Agradecimientos

Referencias[1] T. t. Laboratory, LEHIGH University, Lehigh University, [En línea]. Available: http://www.lehigh.edu/~intribos/energy.html. [Último acceso: 26 12 2015].

[2] R. T. RENTERÍA, am, Compañía Periodística Meridiano S.A de C.V, 11 11 2015. [En línea]. Available: http://www.am.com.mx/m/valoragregado/expande-mercados-industria-del-papel-242563.html.

[Último acceso: 27 12 2015].

[3] K. Holmberg y A. Erdemir, Influence of tribology on global energy consumption, costs and emissions, Friction, Vol. 5, num. 3, pp. 263 – 284, (2017)

[4] K.L. Rutherford e I.M. Hutchings, Theory and Application of a Micro-Scale Abrasive Wear Test, Journal of Testing and Evaluation, JTEVA, vol. 25, num. 2, pp. 250-260, (1997).

[5] Friction an introduction to tribology, autor Bowden y Tabor, editorial Anchor books, edición 1, año de publicación (1973).

[6] D. Klaffke, Tribological behavior of Me:CH coating on steel against steel in the case of osci-llating sliding motion at room temperature, diamond films and technology, vol. 3, nº 3, pp. 149 – 165, (1994).

[7] Z. hua, G. hua, X. Jia , W. Fei , Y. lei , W. cai, Z. Liang, W. Jiang and Jonathan Q., Y. Chang, Dry wear behavior of rheo-casting Al−16Si−4Cu−0.5Mg alloy, Trans. Nonferrous Met. Soc. China Vol. 26,

pp. 2818−2829, (2016)

[8] M.G. GeeU and M.J. Wicks, Ball cráter testing for the measurement of the unlubricated sliding wear of wear-resistant coatings, Surface and Coatings Technology, vol. 133-134, pp. 376-382, (2000).

[9] A.L. Bandeira, R. Trentin, C. Aguzzoli, M.E.H. Maia da Costa, A.F. Michels, I.J.R. Baumvol, M.C.M. Farias and C.A. Figueroa, Sliding wear and friction behavior of CrN-coating in ethanol and oil–

ethanol mixture, wear, Vol. 301, num, 1-2, pp. 786-794, (2013).

[10] R.I. Trezona y I.M. Hutchings, Three-body abrasive wear testing of soft materials, Wear, vol. 233–235, pp. 209–221, (1999).

[11] L.M. Vilhena, C.M. Fernandes, E. Soares, J. Sacramento, A.M.R. Senos y A. Ramalho, Abrasive wear resistance of WC–Co and WC–AISI 304composites by ball-cratering method, Wear, vol. 346-347,

pp. 99–107, (2016).

[12] F. Fernandes , A. Ramalho, A. Loureiro y A. Cavaleiro, Mapping the micro-abrasion resistance of a Ni-based coating deposited by PTA on gray cast iron, Wear, vol. 292–293, pp. 151–158, (2012).

[13] R.C. Cozza, D.K. Tanaka y R.M. Souza, Friction coefficient and abrasive wear modes in ball-cratering tests conducted at constant normal force and constant pressure—Preliminary results, Wear, vol.

267, pp. 61–70, (2009).

[14] R.C. Cozza, Effect of pressure on abrasive wear mode transitions in micro-abrasive wear tests of WC-Co P20. Tribol Int, vol. 57, pp. 266-271 (2013).

[15] Z. Wang , Y. Lia , W. Huang, X. Chen y H. He, Micro-abrasion–corrosion behaviour of a biomedical Ti–25Nb–3Mo–3Zr–2Sn alloy in simulated physiological fluidJournal of the Mechanical Behavior of

Biomedical Materials, vol. 63, pp. 361-374, (2016).

[16] M.M. Stack y M. Mathew, Micro-abrasion transitions of metallic materials, Wear, vol. 255, pp. 14–22, (2003).

Análisis y experimentación pendiente

Debido a la disponibilidad del equipo y excesivo tiempo en la experimentación, falta por

completar:

• Análisis de desgaste, profundidad, diámetro y tasa de desgaste para la condición en seco.

• Determinar el peso del slurry para la condiciones de 40 y 80 g de concentración de SiC.

• Establecer el movimiento y densidad del slurry.

• Realizar ensayos con agua desmineralizada (sin slurry) para determinar como afecta la

característica de corrosión.

• Establecer el tipo de contacto (conformado o no conformado) por tener un ambiente

lubricado.

• Realizar análisis de regresión lineal para todas las tendencias.

Se publica articulo de investigación en revista de alto impacto de los avances de los primeros dos

trimestres

Se publica articulo de investigación en revista online de los avances del primer trimestre

Se acepta avance de

actividades del

trimestre 5 para su

presentación en el

congreso de

ICMCTF que se

llevara a cabo en San

Diego California

USA 23 a 27 de

Abril del 2018, con

posible publicación

en revista Thin Films

de El Sevier

Se acepta avance de

actividades hasta este

trimestre para ser

presentado en la red

REDISYT, red nacional de

Superficies y Tribología, en

su reunión anual (7 y 8 de

diciembre)

Gracias por su atención

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