PRÁCTICA Nº4: DESGASTE EN UN TRIBÓMETRO DE CILINDROS CRUZADOS BAJO NORMA TÉCNICA ASTM G83-96 (en seco)RESUMEN

I. RESUMEN:En la siguiente práctica se realiza un ensayo de desgaste para distintos materiales en un tribómetro para de esta manera provocar un desgaste abrasivo y adhesivo en una probeta cilíndrica por una pieza de carburo de tungsteno y verificar ello por su diferencia en peso.

II. OBJETIVOS:- Evaluar el desgaste adhesivo de distintos materiales frente a un desbastador de carburo de tungsteno.- Comparar las propiedades de los materiales desgastados utilizados.

III. FUNDAMENTO TEÓRICO3.1. ACERCA DE LOS MATERIALES USADOS

3.1.1. CARBURO DE TUNGSTENOCuando a nivel industrial se busca un material sumamente dúctil y, a su vez, duro para hacer las tareas más difíciles siempre acaban encontrando una respuesta que da la talla: el Carburo de Tungsteno.Este materia, también llamado Carburo de Wolframio, está formado por el Wolframio, elemento que le da nombre, que posee el número atómico 74 y carbono. Una aleación de WxC, siendo x 3 ó 6, hace que posea una dureza máxima, comparada de forma habitual con la del auténtico diamante.Una de las grandes ventajas industriales que aporta este compuesto es que aguanta de forma estable hasta una temperatura de 1.600 – 1.700 grados, con lo que su uso en grandes prensas industriales en “frío” está de lo más asegurado.

Fig. 1. Carburo de Tungsteno (Wolframio)

3.1.2. ACERO INOXIDABLE AISI 304Análisis químico según Norma Nacional NMX B-83 (% en peso):

C Si máx. Mn máx. P máx. S máx. Cr Ni304 0.08 1.00 2.00 0.045 0.030 18.00-20.00 8.00-10.50304L 0.03 1.00 2.00 0.045 0.030 18.00-20.00 8.00-12.00

Tipo: Austenítico tipo 18-8.

Formas y Acabados:

Barra redonda, cuadrada, solera y hexagonal; laminadas en caliente, estiradas en frío o pulidas y rectificadas; alambre, lámina y placa, cinta, tubo con y sin costura y barra perforada.

Características:

Excelente resistencia a la corrosión a una amplia variedad de medios corrosivos, incluyendo productos de petróleo caliente y gases de combustión. Resistente a la corrosión en servicio intermitente hasta 871ºC (1600º F) y hasta 926º C (1700º F) en servicio continuo. Excelente soldabilidad, utilizar electrodos tipo 308S. Poco maquinable: 45% del acero 1212, se recomiendan velocidades de 40 a 85 pies de superficie / min.

Aplicaciones:Se utiliza en la industria química, alimenticia, textil y petrolera, para piezas varias y partes que requieran ser soldadas; para fabricar flechas, tuercas, birlos, tornillos, partes para válvulas, cuchillería, artículos domésticos, etc..

Tratamientos Térmicos recomendados (valores en o C):

FORJADORECOCIDO DUREZA BRINELL

BARRAS RECOCIDAS (1)

TEMPLETEMPERATURA MEDIO DE ENF.

1150-1200° C No forjar abajo de 900° C enfriar

1010-1120 enfriar rápidamente hasta temperatura

160 Endurecible solo por trabajo

rápidamente ambiente mecánicoNota: (1) Dureza exigida por la norma NMX B - 83 (tabla 3).Propiedades mecánicas típicas según NMX B - 83, de barras en estado recocido:

RESISTENCIA A LA TRACCIÓN

LÍMITE DE FLUENCIAALARGAMIENTO EN 2" %

REDUCCIÓN DE ÁREA

%

RELACIÓN DE MAQUINABILIDAD 1212 EF = 100%MPa (kgf/

mm2)[ Ksi ] MPa (kgf/

mm2)[ Ksi ]

304 510 ( 52 ) [ 74 ] 206 ( 21 ) [ 30 ]40 50 45

304L 481 ( 49 ) [ 70 ] 176 ( 18 ) [ 26 ]3.1.3. ACERO COMERCIAL A36

Descripción: acero de mayor fortaleza que el 1018 y menos fácil de conformar. Responde bien al trabajo en frío y al tratamiento térmico de cementación. La soldabilidad es adecuada. Por su alta tenacidad y baja resistencia mecánica es adecuado para elementos de maquinaria.

Propiedades mecánicas: Dureza 111 HB- Esfuerzo de fluencia 205 MPa (29700

PSI)- Esfuerzo máximo 380 MPa (55100 PSI)- Elongación 25%

- Reducción de área 50%- Módulo de elasticidad 205 GPa (29700

KSI)- Maquinabilidad 72% (AISI 1212 = 100%)

Propiedades físicas: Densidad 7.87 g/cm3 (0.284 lb/in3) Propiedades químicas: 0.18 – 0.23 % C 0.30 – 0.60 % Mn 0.04 % P máx 0.05 % S máx

6. Usos: se utiliza mucho en la condición de cementado donde la resistencia al desgaste y el tener un núcleo tenaz es importante. Se puede utilizar completamente endurecido mientras se trate de secciones muy delgadas. Se puede utilizar para ejes de secciones grandes y que no estén muy esforzados. Otros usos incluyen engranes ligeramente esforzados con endurecimiento superficial, pines endurecidos superficialmente, piñones, cadenas, tornillos, componentes de maquinaria, prensas y levas.3.1.4. LATÓN 7030• Aleaciones de Cobre y Zinc que contienen de 5 a 40% de Zinc.• Según su composición, los latones presentan excelente formabilidad en frío, para procedimientos como estampados, embutidos, rolados, cabeceados, etc. Su aptitud para tratamientos superficiales, permiten realizar económicamente objetos de excelente presentación, de larga duración y fácil mantenimiento.El latón es conocido por el ser humano desde épocas prehistóricas, incluso antes de que el mismo zinc fuese descubierto. Entonces se producía mediante la mezcla de cobre con calamina, una fuente natural de zinc. En las villas alemanas de Breinigerberg, un antiguo sitio romano, se descubrió donde existía una mina de calamina.3.1.5. BAQUELITALa baquelita fue la primera sustancia plástica totalmente sintética, creada en 1907 y nombrada así en honor a su creador, el belga Leo Baekeland (el Premio Nobel en Química). Adolf von Baeyer experimentó con este material en 1872 pero no completó su desarrollo). Fue también uno de los primeros polímeros sintéticos termoestables conocidos. Se trata de un fenoplástico que hoy en día aún tiene aplicaciones interesantes. Este producto puede moldearse a medida que se forma y endurece al solidificarse. No conduce la electricidad, es resistente al agua y los solventes, pero fácilmente mecanizable. El alto grado de entrecruzamiento de la estructura molecular de la baquelita le confiere la propiedad de ser un plástico termoestable: una vez que se enfría no puede volver a ablandarse. Esto lo diferencia de los polímeros termoplásticos, que pueden fundirse y moldearse varias veces, debido a que las cadenas pueden ser lineales o ramificadas pero no presentan entrecruzamiento.

3.2. SISTEMA TRIBOLÓGICO3.2.1.Parámetros BásicosUn sistema Tribológico es un conjunto de elementos interconectados por su estructura y función. El más simple de los sistemas tribológicos es el formado por dos sólidos, elementos 1 y 2, un agente lubricante y el

entorno. Para definir completamente el sistema tendremos que referirnos a las propiedades de cada elemento y sus funciones.Las investigaciones en este campo involucran los siguientes sistemas:- Desgaste debido al rozamiento entre dos superficies (desgaste adhesivo). - Entrada de partículas al punto de contacto (desgaste de tres cuerpos).- Partículas que causan impacto en la superficie (erosión).- Desprendimiento de la superficie (abrasión).- Desgaste debido a la formación y colapso de burbujas de aire a altas presiones (cavitación).Los tribosistemas que nos encontramos en aplicaciones de ingeniería desde el punto de vista funcional se pueden clasificar de forma general en uno de los siguientes grupos: Transmisión: guiado, acoplamiento, control, paro e inhibición de movimiento, fuerza, energía

mecánica y potencia, cojinetes, juntas, engranajes, embragues, pernos, frenos, etc. Transporte y control de flujo: tuberías, rueda, rail, neumático, carretera, válvulas, cierres, etc. Mecanizado: conformado, maquinado y desgarro de materiales, prensado, torneado, fresado, etc. Generación y transmisión de información: cabezales de impresora, dispositivos magnéticos de

grabación, etc.Vamos a intentar definir un ensayo tribológico de laboratorio con la intención de ver todas las características y factores que le afectan. Nos permitirá obtener una visión general de la tribología y seleccionar las variables en las que podemos influir en situaciones reales. Para entender el alcance del ensayo tribológico lo compararemos con un ensayo mecánico. En los ensayos mecánicos la resistencia del material, expresada en unidades de fuerza por sección, se determina aplicando ciertos esfuerzos como tracción, compresión, desgarro, torsión o flexión. Los resultados obtenidos se consideran propiedades intrínsecas del material y se les puede aplicar la ley de semejanza, según la cual, los resultados obtenidos en una probeta son aplicables a otras de dimensiones diferentes, si son semejantes en forma. Básicamente dependen de dos grupos de parámetros: Parámetros materiales: composición, micro estructura y geometría de la probeta. Parámetros operacionales: tipo de esfuerzo, carga, temperatura, velocidad de deformación.Si comparamos el ensayo mecánico, para obtener datos de resistencia, con el ensayo tribológico para obtener datos de fricción y desgaste, fig. 1 vemos que en este hay que considerar numerosas características y factores. La fricción y el desgaste no son propiedades intrínsecas de los materiales, sino que hay que referirlos al sistema tribológico completo, normalmente los materiales que interaccionan y el lubricante interpuesto.

Fig. 2. Características de ensayos de resistencia de materiales y tribológicos.En el ensayo de un sistema material/material (fricción seca) o de un sistema material/lubricante/material (fricción lubricada), la resistencia al movimiento, fricción, o la resistencia al daño de la superficie, desgaste, viene determinada por el tipo de movimiento, rodadura o deslizamiento. Los resultados obtenidos hay que entenderlos asociados con un tercer grupo de parámetros: Parámetros estructurales (materiales): Las propiedades físicas, químicas y tecnológicas de los

componentes (materiales, lubricante, y entorno) involucrados en el ensayo.

Parámetros operacionales: Son la carga, cinemática, condiciones de temperatura y la duración. Parámetros interaccionales: Caracterizan la acción de los parámetros operacionales sobre los

componentes estructurales del sistema y definen sus modos de contacto y lubricación.3.2.2. Características TribométricasLas caracteristicas tribométricas son medidas de los resultados de las interacciones entre caras. La fricción puede ser descrita por parámetros relacionados con la fuerza o la energía y el desgaste por parámetros relacionados con la geometría y la materia. Además de los parámetros numéricos de fricción y desgaste que se definen mas abajo, hay que considerar otros parámetros como el ruido inducido o las vibraciones, y caracterizar los cambios en la micro estructura y composición de los elementos y la forma y composición tanto de las superficies de desgaste como de las partículas generadas en el proceso.3.2.3.Medida del desgasteEl desgaste es la progresiva perdida de materia en las superficies de los elementos interactivos del tribosistema. Se debe medir en cada uno de los triboelementos. Se mide en términos de:

Longitud: un cambio dimensional en la geometría de interacción los triboelementos, perpendicular al área común de contacto.

Área: cuando se produce un cambio en las dos dimensiones de la seccion transversal perpendicular al área de contacto.

Volumen: se produce cambio en las tres dimensiones de las regiones geométricas del área de contacto. El volumen de desgaste esta conectado via densidad o peso especifico con masa de desgaste y peso de desgaste.

Velocidad de desgaste, W: relación entre desgaste y tiempo. Índice de desgaste: volumen de desgaste por unidad de longitud de deslizamiento Coeficiente de desgaste, k: es la relación entre el volumen de desgaste y la carga aplicada por la distancia.

3.3. DesgasteSe presenta desgaste cuando un material es removido o desplazado por efecto de la interacción de las superficies de dos sólidos en contacto, que están sometidas a una carga y que se encuentran en movimiento relativo, este movimiento puede darse en una o varias direcciones. El desgaste es el resultado del arranque o desprendimiento de viruta que se causa a través de las áreas que se encuentran en contacto.3.3.1. Tipos de desgastea. El desgaste adhesivo: También llamado desgaste por fricción ó 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.

b. Desgaste abrasivo: Es la pérdida de masa resultante de la interacción entre partículas o asperezas duras que son forzadas contra una superficie y se mueven a lo largo de ella. La diferencia entre desgaste abrasivo y desgaste por deslizamiento es el .grado de desgaste. entre los cuerpos involucrados (mayor en el desgaste abrasivo), ya sea por la naturaleza, tipo de material, composición química, o por la configuración geométrica.

3.4. FricciónSe define como fuerza de rozamiento o fuerza de fricción, entre dos superficies en contacto, a aquella que se opone al movimiento entre ambas superficies (fuerza de fricción dinámica) o a la fuerza que se opone al inicio del movimiento (fuerza de fricción estática).

IV. EQUIPOS Y MATERIALES4.1. Equipos:- Motor de esmeril acondicionado como Equipo De Desgaste- Balanza analítica - Vernier4.2. Materiales- Carburo de Tungsteno- Acero Inoxidable 304- Baquelita- Latón 7030

- Acero comercial A36- Resina epóxica

V. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL5.1. Lavar las probetas a usar: Utilizando la secuencia normada que establece que primero se debe lavar

las probetas en agua con detergente, luego enjuagarlas con agua, seguido se las pasa a un recipiente con thinner, el cual servirá para sacar cualquier rastro de grasa remanente en la probeta, finalmente se pasa nuevamente la probeta por agua y se la seca con un paño limpio.

5.2. Pesar la probeta (Peso inicial): pesar la probeta y registrar su masa inicial para realizar una comparación con la masa final después de finalizar el ensayo de desgaste

5.3. Ubicar la probeta a ensayar en el equipo : tener cuidado y ubicarlo según las características de la norma ASTM G83-96

5.4. Ubicar la probeta desgastadora en el porta probeta: se coloca un poco de resina epoxi en la base de la probeta de carburo de tungsteno y se la coloca en el porta probetas con el fin de no salir disparada en el momento de hacer fricción con la probeta en movimiento y así para que la fricción o rozamiento sea mas compacta y sin problemas.

5.5. Ajustar el desgastador de modo que este con contacto con la pieza: ajustar y asegurar bien el desgastador para que en el momento que empiece el ensayo se puedan evitar problemas y complicaciones.

5.6. Encender la maquina (3450rpm) : al momento de encender la maquina tener cuidado con los ejes para poder evitar accidentes.

5.7. Realizar el ensayo por 2 minutos: es el tiempo que se le debe aplicar a cada probeta que se va a ensayar.

5.8. Limpiar y pesar la probeta (peso final) : limpiar las probetas de toda impureza para poder tomar un exacto peso final, para esto se realiza el mismo procedimiento que el realizado al momento de tomar los pesos iniciales.

VI. RESULTADOSEnsayo de dureza-Tabla N° 1

PROBETA Dureza 1 Dureza 2 Dureza 3 Dureza 4 Dureza Promedio

Ac. Inox. (HRC) 16.9 15.5 20.6 17.9 17.725

Latón (HRD) 5.6 9.2 5.9 7.4 7.025

Fierro (HRA) 46 37.8 50.1 38.1 43Perdidas de masa de desgastante-Tabla N°2

DESGASTANTE (en el eje)PROBETA mi(gr) mf(gr) Pérdida de masa(gr)Ac. Inox. (HRC) 88.1163 87.9784 0.1379Latón (HRD) 43.3012 43.0995 0.2017Fierro (HRA) 13.4546 12.7964 0.6582Baquelita 6.1452 4.1282 2.017Grafica N° 1 DESGASTE DE LAS PROBETAS FRENTE AL CARBURO DE TUNGSTENO (Pérdida de peso en gramos)

1 2 3 40

0.51

1.52

2.5

Desgaste frente al Carburo de Tungsteno

Leyenda: 1.- Acero Inoxidable AISI 3042.- Latón 7030

3.- Acero comercial A364.- Baquelita

VII. DISCUSIÓN DE RESULTADOS7.1. En la grafica N°1 se puede apreciar que el desgastador es el que pierde mas masa que el desgastante.7.2. El ensayo de dureza para el acero inoxidable es el más elevado de todos y proporcional a eso es el que menos pérdida de masa tiene.7.3. En la tabla de resultados N°2 la baquelita es la que pierde mas masa debido a que es un material muy blando en comparación al desgastador que actuó frente a ella.7.4. Se puede apreciar que el latón (a pesar q es más blando que el acero comercial) recibe menor desgaste frente al Fe, esto es debido a las superficies irregulares que se presentan sobre la superficie de las pobetas.

VIII. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES8.1. Conclusiones Se logró evaluar el desgaste adhesivo de todos los materiales frente a un desgastador de carburo de tungsteno.

- Se comparo las propiedades de los materiales desgastados utilizados.8.2. Recomendaciones

- En el momento de realizar la torneada a las probetas, tener cuidado al momento de realizar el diámetro el cual es de 12.5 mm, si la medida realizada excede mas de lo propuesto se corre el riesgo de que la probeta empieza bailar en pleno ensayo lo cual como consecuencia no existiría un buen desgaste.- Al momento de colocar el perno como sujetador, se debe ajustar ambos ejes para que exista un mejor trabajo.- Al momento de empezar el ensayo de desgaste, observar la posición del desgastante y tener cuidado al momento de empezar la fricción o rozamiento con el desgastador.- Cada vez que se cambie de probeta verificar que la pieza de carburo de tungsteno no se haya movido, de lo contrario asegurarlo con resina epoxi.

IX. ANEXOS

3 4 5 6Figura 3. Colocación de la probeta desgastadora de carburo de tungsteno.Figura 4. Colocación de la probeta a desgastar de acero inoxidable.Figura 5. Desgaste del fierro.Figura 6. Desgaste de la baquelita.

7 8 9 10Figura 7. Desgaste del latón.Figura 8. Todos los materiales usados así como el tribómetro usado.Figura 9. Equipo desgastador - tribómetro.Figura 10. Especificaciones técnicas del motor usado.Figura 11. Equipo en reposo luego de hacer el ensayo.

11

Volumenmaterial perdido=masa perdida (gr )

densidad ( grcm3 )

×1000

La velocidad a la cual se desgasta el material puede ser calculada según la siguiente expresión:

Velocidad dedesga ste=masa perdida(gr )tiempo(min)

2.1. DIMENSIONES DE LA MUESTRA Y DESGASTADORPara la realización de los ensayos de dureza superficial y resistencia al desgaste se utilizan probetas de forma de disco de 40 mm de diámetro exterior y 14 mm de diámetro interior y 10 mm de espesor.

PROBETA GIRATORIA:

DIAMETRO EXTERNO 40 mm

DIAMETRO INTERNO 14 mm

ESPESOR 10 mm

El desgastador es de material WIDIA (Tungsteno Carburado) en forma de pastilla de superficie rectangular con una dureza de 77.33 HRC, cuyas medidas son 30 x 14 x 6 mm.

PROBETA ESTACIONARIA:

LARGO 30 mm

ANCHO 14 mm

ALTURA 6 mm

3. MATERIALES USADOS EN EL ENSAYO3.1. MATERIALES:

Materiales Cantidad Medidas Costo (S/.)

Probeta circular hueca de acero 1De = 4 cm;Di = 1.3 cm

12.5

Probeta circular hueca de cobre 1De = 4 cm;Di = 1.3 cm

12.5

Probeta circular hueca de resina poliéster 1De = 4 cm;Di = 1.3 cm

6.0

Lijas de agua 2 220, 600 2

Desgastador 1 30 x 14 x 6 mm 60

3.2. HERRAMIENTAS:

3.3. EQUIPOS:

Herramientas Cantidad Costo (S/.)

Vernier 1Cortesía delLaboratorio

Llave ajustable 1

Secadora 1

EQUIPO MARCA MODELO/SERIE ERROR SENSIBILIDAD

Balanza H.W Kessel AND-HR-200 0.0001g 210 g

EQUIPO MARCA VELOCIDAD FASE POTENCIA TENSIÓN

MAQUINA TRIBOLOGICAADAPTADA

(motor)RYOBI 3450 RPM 1 ½ HP 220 V